Page 19 - 《精细化工》2022年第8期

第 8 期 郑进宝，等: 淀粉基发泡材料制备及性能优化研究进展
内的气泡成核或膨胀；进一步干燥固化稳定泡孔结
构。研究表明，微波发泡是非常具有潜力的淀粉基
发泡材料加工方法。但微波发泡成型工艺仍面临着
一些问题，如内部电场对淀粉基发泡材料的穿透深
度，功率密度以及介电性等参数还缺乏深入了解，
这些都限制了微波发泡成型工艺的工业化推广。
3 性能优化的研究进展
近年来，国内外许多企业及科研单位聚焦于淀
粉基材料的开发，部分研究成果已实现工业化生产，
如美国空气产品化学公司的 Vinex、日本合成化学工
业公司的 EcomateAx、意大利 Novamont 公司的
®
Mater-Bi 以及 Novon Internationgnal、Ferruzzi 等公
司基于淀粉开发的可降解塑料 [74] 。其中，华南理工
大学余龙教授团队研发的淀粉基发泡材料也已应用
于物流运输包装领域。常见的淀粉基发泡缓冲包装
材料如图 4 所示。然而，淀粉基发泡材料存在的发泡
不均匀、亲水性强及力学性能差等缺点极大地限制
了其在工业上的发展 [91-92] 。为了使淀粉基发泡材料
取代传统的泡沫塑料作为缓冲材料，研究者们进行
了配方和工艺优化、模具设计以及发泡机理研究来调
控材料内部泡孔结构，改善其力学性能。此外，采
用不同来源的淀粉或改性淀粉、与其他材料共混或复
合的方式也可以提高淀粉基发泡材料的综合性能
图 4 常见的淀粉基发泡缓冲材料
Fig. 4 Common starch-based foaming buffer materials
通过对材料组分和制备工艺相关研究进行归纳
总结，可以发现，配方和工艺优化是调控泡孔结构
并改善材料性能的常用手段，而材料组分和制备工
艺又与淀粉基材料的发泡过程紧密相连。为了更好
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地改善淀粉基发泡材料的性能，本节将从泡孔调控
方法和发泡材料综合性能改善两个方面来分析淀粉
基材料的发泡过程及影响因素，并介绍综合性能优
化的发展趋势，以期为淀粉基发泡材料的开发提供
思路。
3.1 泡孔调控方法
淀粉基发泡材料的性能与其内部泡孔结构息息
相关。均匀的孔径分布和更小的泡孔尺寸通常表现
出更好的机械性能 [94] ；而孔隙率较大时，水汽易通
过孔隙进入材料内部，在实际应用过程中，淀粉基
发泡材料容易受潮萎缩，导致其力学性能严重下降，
甚至可能发生霉变，进而影响内包装物的安全。因
此，调整泡孔结构是改善其性能的有效办法。但由
于影响泡孔结构的因素复杂，泡孔调控难度较大，
泡孔分布不均匀，孔壁强度低，这种材料内部结构
的缺陷使得材料能量吸收能力弱，力学性能较差，
无法满足低脆值产品的包装要求。因此，泡孔结构
不均匀和缓冲性能较差是制约淀粉基发泡材料在运
输包装领域广泛使用的主要瓶颈，明确发泡过程及
影响因素，有助于更好地调控淀粉基发泡材料的内
部泡孔结构。
3.1.1 发泡过程分析
国内外学者积极探索聚合物发泡成型的机理，
气泡成核、气泡膨胀生长和稳定固化是泡孔形成的
[93] 。 关键阶段。气泡成核影响泡孔的分布和密度，气泡
膨胀生长影响泡孔的尺寸，气泡稳定固化影响泡孔
的形貌。其中，气泡成核的形式有经典成核理论（均
相成核、异相成核和空穴成核）以及由经典成核理论
发展的新理论（如热点成核、剪切成核和移植核理论
等），向帮龙等 [95] 已对其进行了详细综述，详见表 4。
随着熔融体系环境的改变，材料内部的过饱和
气体受淀粉基材料表面张力和扩散阻力的影响，在
[96]
材料体系中开始聚集，形成大量的微小气泡 。当
混合物料体系内温度升高，发泡剂开始分解并产生
大量气体（包括水分子蒸发气化），产生的过饱和气
体围绕气泡核聚集，致使气泡内的压强增大，为气
泡的膨胀生长提供动力。此时，整个体系正处于高
湿度低黏度状态，气泡内部动力远大于气泡壁表面
张力和外部压强提供的阻力，气泡核开始快速膨胀
生长。由于气泡内的气体压强与其孔径成反比，气
泡内部压强随着气泡的长大而降低。同时，体系内
水分蒸发，体系黏度的增加使气泡膨胀生长所受的阻
力增大，气泡开始缓慢生长。当体系黏度不断增大并
逐渐失去流动性时，聚合物由液相转化为固相，气
泡内部动力不足以克服外部阻力推动气泡继续膨胀生
长，气泡开始进入稳定固化阶段。图 5 展示了淀粉基
发泡材料在气泡膨胀与固化阶段气泡壁的受力情况。