木薯淀粉基可降解塑料的多目标模糊优化：平衡延展性与成本的经济可持续方案

本研究针对可降解塑料生产中机械性能与成本难以兼顾的难题，创新性地采用模糊优化方法平衡伸长率(YE)与材料成本(CT)。通过优化壳聚糖(2.4g)、淀粉(5.0g)和PVA(3.0g)配比，在获得54.52%伸长率的同时实现41.81%成本节约，为环保包装材料产业化提供经济可行的解决方案。

　　

随着合成塑料在自然环境中持续积累造成的生态危机日益严峻，开发具有理想机械性能且成本可控的可降解塑料成为当务之急。传统淀粉基塑料存在脆性大、延展性差等问题，而添加壳聚糖、聚乙烯醇(PVA)等改良剂又显著增加生产成本。这种性能与成本的矛盾严重制约着环保材料的产业化应用，亟需建立科学的优化方法实现二者平衡。

为解决这一关键问题，研究人员创新性地将模糊数学理论引入可降解塑料配方优化领域。研究以木薯淀粉为基础原料，通过整合响应面法(RSM)与模糊优化技术，构建了同时考虑伸长率(Y_E)和材料成本(C_T)的多目标决策模型。实验设计采用Box-Behnken方法，考察壳聚糖(1-3g)、淀粉(1-5g)和PVA(1-5g)三种添加剂在不同配比下对材料性能的影响。通过ε-约束法生成帕累托前沿，并建立线性隶属函数量化各目标的满意度，最终采用最大最小化原则确定最优解。

关键技术包括：1)基于RSM-BBD的实验设计获取伸长率响应面方程；2)帕累托前沿分析确定伸长率(16.4%-84.6%)与成本(1315-2107 USD/kg)的边界；3)模糊优化构建λ₁(伸长率)和λ₂(成本)的隶属函数；4)LINGO 20.0软件求解多目标优化问题。

【3.1 参数分析】通过单因素实验确定各组分对性能的影响规律：壳聚糖在2.5g时伸长率达峰值86.30%，过量会因分子缠结导致性能下降；淀粉增加显著降低伸长率(97.66%→36.77%)但能大幅降低成本；PVA可提升伸长率至97.66%但成本线性增长。

【3.5 帕累托前沿】分析显示伸长率超过75.6%后出现收益递减现象，确定54.52%-75.6%为性价比最优区间。成本约束在914-2619 USD/kg范围内，验证了模糊优化的边界条件。

【3.6 模糊优化】建立λ₁=(Y_E-16.4)/68.2和λ₂=(2619-C_T)/1705的隶属函数，获得整体满意度0.5587的折中方案。最优配方为2.4g壳聚糖、5.0g淀粉和3.0g PVA，实现54.52%伸长率(误差±4.54%)和1666.73 USD/kg成本，较传统RSM方法降低成本41.81%。

【3.9 可行性分析】尽管实验室结果理想，工业化仍需解决高淀粉含量导致的混匀难题，建议采用双螺杆挤出工艺。环境测试表明湿度>60%会使拉伸强度下降30-40%，需添加1-2%柠檬酸改善耐水性。

该研究开创性地将模糊决策理论应用于可降解塑料配方优化，首次系统量化了材料成本与机械性能的权衡关系。获得的优化配方不仅满足印尼国家标准(SNI)对塑料伸长率(>21%)的要求，更通过显著降低成本增强了产业化可行性。研究方法可扩展至其他生物基材料的开发，为可持续包装行业提供了兼具科学性和经济性的解决方案。未来研究可探索废料衍生壳聚糖的利用，并评估该材料在3D打印等新兴领域的应用潜力。