一种高疏水性淀粉基吸管及其制备方法

1.本发明属于可降解吸管开发技术领域，具体涉及一种高疏水性淀粉基吸管及其制备方法。


背景技术：

2.石油基塑料吸管使用后的大量废弃物给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。2020年1月，国家发改委和生态环境部发布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，文件规定到2020年底，全国范围餐饮行业禁止使用不可降解的一次性塑料吸管。因此，开发环境友好型的生物可降解吸管成为研究人员关注的热点问题。淀粉因其可再生、全降解被人们看作是最具发展潜力的天然环境友好型聚合物之一。但因淀粉分子结构中含有较多的亲水性羟基，导致淀粉基吸管存在着疏水性差和不耐热水浸泡等问题，尤其是当淀粉基吸管应用于热饮时，易吸水膨胀，甚至是逐渐溶解。


技术实现要素：

3.针对现阶段粉基吸管存在的疏水性差和不耐热水浸泡等问题，本发明提供一种高疏水性辛烯基琥珀酸淀粉基吸管及其制备方法。通过辛烯基琥珀酸酐酯化和c6h
19
nsi2蒸汽法双重疏水改性处理，研制一种疏水性能强、耐高温浸泡的环保型淀粉基吸管具有重要意义。
4.本技术的技术方案如下：一种高疏水性淀粉基吸管，包括以下重量份的原料：以玉米淀粉为基准，辛烯基琥珀酸酐2-6%、sio23-8%、naoh 0.008-0.028%、水30-35%。
5.进一步地，还包括采用c6h
19
nsi2蒸汽处理改性。
6.上述高疏水性淀粉基吸管的制备方法，包括以下步骤：（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐、sio2和溶于蒸馏水的naoh，混合均匀，加入水，搅拌后静置；（2）高疏水性淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料加入双螺杆挤压机内，通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚冷却后进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，喷涂均匀后冷却至室温，得到高疏水性淀粉基吸管。
7.优选地，步骤（1）中所述搅拌的条件为：转速100-400rpm，时间5-15min。
8.优选地，步骤（2）中所述的双螺杆挤压机的条件为：螺杆转速60-300rpm；挤压腔内一区至四区的温度分别为40-50℃，50-60℃，80-110℃，80-100℃。
9.优选地，含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器中设置有带有透气孔的挡板，吸管放置在挡板上，不与c6h
19
nsi2溶液接触。
10.优选地，步骤（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性的条件为：干燥箱温度45-55℃；处理时间40-120min。
11.淀粉与辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应，引入的疏水性烯基长链可提高淀粉的疏水性能。对淀粉进行辛烯基琥珀酸酐酯化改性，需要破坏淀粉颗粒致密的结构，增加比表面积，降低结晶度，使淀粉分子呈分散状态，从而使辛烯基琥珀酸酐基团更容易接近淀粉分子间和分子内羟基。因此，采用挤压法利用挤压腔内高温、高压和强剪切作用力，破坏淀粉颗粒中因分子与分子间通过羟基上的氢键相互缔合而形成的紧密且牢固结晶区以及淀粉颗粒外围的亚颗粒“blocklet”相互融合形成的“shell”结构，使更多的辛烯基琥珀酸酐进入到淀粉颗粒内部，促进辛烯基琥珀酸酐与淀粉分子内和分子间羟基之间的酯化反应，通过在淀粉分子上引入大量疏水性烯基长链提高淀粉的疏水性。
12.加入的sio2可与淀粉内的羟基结合形成-si-o-c-键，改善辛烯基琥珀酸淀粉基吸管对水分的敏感度。c6h
19
nsi2与淀粉分子反应形成-si-o-c-键，也可与sio2快速反应形成更稳定的si-o-si(ch3)3结构，将疏水性的-ch3接枝到辛烯基琥珀酸淀粉基吸管表面，进一步提高吸管的疏水性能。
13.本发明的有益效果：通过淀粉与辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应，引入的疏水性烯基长链可提高淀粉的疏水性能；加入sio2可与淀粉内的羟基结合形成-si-o-c-键，改善辛烯基琥珀酸淀粉基吸管对水分的敏感度；c6h
19
nsi2与淀粉分子反应形成-si-o-c-键，也可与sio2快速反应形成更稳定的si-o-si(ch3)3结构，将疏水性的-ch3接枝到辛烯基琥珀酸淀粉基吸管表面，进一步提高吸管的疏水性能。
14.（1）本发明通过酯化改性在淀粉分子上引入疏水基团烯基长链对吸管进行第一重疏水改性处理。
15.（2）本发明通过c6h
19
nsi2蒸汽法将疏水性的-ch3基团接枝在吸管表面对吸管进行第二重疏水改性处理。
16.（3）本发明采用双重疏水改性处理，制备的吸管疏水性能好、耐高温浸泡，且淀粉基吸管环保绿色可降解，可缓解石油基塑料吸管带来的白色污染问题。
具体实施方式
17.为更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
18.实施例1一种高疏水性淀粉基吸管的制备方法，包括以下步骤：（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐（占玉米淀粉添加量3%）、sio2（占玉米淀粉添加量4%）和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.013%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量30%），在350rpm转速下搅拌10min；混合均匀后装袋，静置；（2）辛烯基琥珀酸淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为120rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为45℃，55℃，100℃，90℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；
（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于50℃干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，处理100min，反应后冷却至室温，得到高疏水性淀粉基吸管。
19.实施例2一种高疏水性淀粉基吸管的制备方法，包括以下步骤：（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐（占玉米淀粉添加量2%）、sio2（占玉米淀粉添加量8%）和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.028%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量35%），在400rpm转速下搅拌5min；混合均匀后装袋，静置；（2）辛烯基琥珀酸淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为90rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为40℃，50℃，80℃，80℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于52℃干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，处理85min，反应后冷却至室温，得到高疏水性淀粉基吸管。
20.实施例3一种高疏水性淀粉基吸管的制备方法，包括以下步骤：（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐（占玉米淀粉添加量6%）、sio2（占玉米淀粉添加量3%）和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.008%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量32%），在100rpm转速下搅拌15min；混合均匀后装袋，静置；（2）辛烯基琥珀酸淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为150rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为50℃，60℃，110℃，100℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于52℃干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，处理75min，反应后冷却至室温，得到高疏水性淀粉基吸管。
21.对比例1（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、sio2（占玉米淀粉添加量4%）和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.013%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量30%），在350rpm转速下搅拌10min；混合均匀后装袋，静置；（2）玉米淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为120rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为45℃，55
℃，100℃，90℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于50℃干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，处理100min，反应后冷却至室温，得到玉米淀粉基吸管。
22.与实施例1相比，除未添加辛烯基琥珀酸酐外，其余操作步骤均与实施例1相同。
23.对比例2（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐（占玉米淀粉添加量3%）和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.013%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量30%），在350rpm转速下搅拌10min；混合均匀后装袋，静置；（2）辛烯基琥珀酸淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为120rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为45℃，55℃，100℃，90℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理，得到辛烯基琥珀酸淀粉基吸管。
24.与实施例1相比，除未添加sio2和未进行c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性外，其余操作步骤均与实施例1相同。
25.对比例3（1）原辅料的混合：将玉米淀粉和溶于蒸馏水的naoh（占玉米淀粉添加量0.013%）加入到高速搅拌机内，混合均匀，从助剂阀门加入水（占玉米淀粉添加量30%），在350rpm转速下搅拌10min；混合均匀后装袋，静置；（2）玉米淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料通过喂料机均匀加入双螺杆挤压机内，挤压机螺杆转速设定为120rpm，挤压腔机筒一区至四区的温度设定为45℃，55℃，100℃，90℃，物料通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚通过输送装置（自带风机）进行冷却，冷却后经切割机进行分切处理，得到玉米淀粉基吸管。
26.与实施例1相比，除未添加辛烯基琥珀酸酐和sio2，以及未进行c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性外，其余操作步骤均与实施例1相同。
27.将实施例1及对比例1-3中得到的吸管样品进行吸水率的测定：吸水率测定方法：淀粉基吸管称重（m1）后放置于50℃的水中浸泡15min，取出淀粉基吸管并用吸水纸擦净表面，记录浸泡后吸管的重量m2。
28.表1 实施例1及对比例1-3制备吸管的吸水率
由表1可知，本发明采用辛烯基琥珀酸酐酯化改性和c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性双重处理后制备得到的吸管，其吸水率仅为9.2%（实施例1），明显低于对比例1-3，这表明采用本方法制备的吸管具有较好的疏水性。当不添加辛烯基琥珀酸酐时，与实施例1相比，吸管的吸水率增大（对比例1），这表明酯化改性引入的疏水基团烯基长链可提高吸管的疏水能力。当未进行c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性时，与实施例1相比，吸管的吸水率明显增大（对比例2），这表明si-o-si(ch3)3结构形成引入的疏水性的-ch3基团可显著提高吸管的疏水能力。当不对玉米淀粉进行酯化改性和c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性处理时，吸管的吸水率最大（对比例3），这表明酯化改性和c6h
19
nsi2蒸汽法改性双重处理可有效改善吸管的疏水性能。采用本方法制备得到的吸管具有高疏水性，耐高温浸泡的特点。

技术特征：
1.一种高疏水性淀粉基吸管，其特征在于，包括以下重量份的原料：以玉米淀粉为基准，辛烯基琥珀酸酐2-6%、sio
2 3-8%、naoh 0.008-0.028%、水30-35%。2.根据权利要求1所述的高疏水性淀粉基吸管，其特征在于，还包括采用c6h
19
nsi2蒸汽处理改性。3.一种权利要求1所述的高疏水性淀粉基吸管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）原辅料的混合：将玉米淀粉、辛烯基琥珀酸酐、sio2和溶于蒸馏水的naoh，混合均匀，加入水，搅拌后静置；（2）辛烯基琥珀酸淀粉基吸管挤出构建：将步骤（1）得到的物料加入双螺杆挤压机内，通过吸管成型挤出模头挤出，形成管胚；（3）分切处理：将步骤（2）得到的管胚冷却后进行分切处理；（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性：将步骤（3）分切后的吸管放置在含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器内，将密封容器置于干燥箱中，利用c6h
19
nsi2蒸汽对吸管内外表面进行喷涂，喷涂均匀后冷却至室温，得到高疏水性淀粉基吸管。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述搅拌的条件为：转速100-400rpm，时间5-15min。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的双螺杆挤压机的条件为：螺杆转速60-300rpm；挤压腔内一区至四区的温度分别为40-50℃，50-60℃，80-110℃，80-100℃。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，含有足量c6h
19
nsi2溶液的密封容器中设置有带有透气孔的挡板，吸管放置在挡板上，不与c6h
19
nsi2溶液接触。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）c6h
19
nsi2蒸汽法疏水改性的条件为：干燥箱温度45-55℃；处理时间40-120min。

技术总结
本发明属于可降解吸管开发技术领域，具体涉及一种高疏水性淀粉基吸管及其制备方法。通过淀粉与辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应，引入的疏水性烯基长链可提高淀粉的疏水性能；加入SiO2可与淀粉内的羟基结合形成-Si-O-C-键，改善辛烯基琥珀酸淀粉基吸管对水分的敏感度；C6H


技术研发人员：刘鹏飞 董一凡 崔波 高伟 吴正宗 袁超 郭丽 于滨
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：2023.08.22
技术公布日：2023/10/15