CN112898637B - 一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法；该制备方法包括：1)物料混合；2)母粒制备；3)水分调控；4)多层发泡缓冲支撑板材的制备。物料混合是将淀粉、增塑剂、成核剂、发泡剂、固态碱、长链烯基琥珀酸酐、粘结剂按质量份数分别为70‑80份、4‑8份、1‑2份、3‑6份、1‑5份、1‑5份、1‑5份充分搅拌混合。本发明在水分精准控制阶段，结合微波干燥和恒温恒湿的方法对发泡母粒水分精确调控，进而在二次加工过程中，生产出具有良好抗冲击性能和支撑性能的淀粉基发泡板材。淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的发泡倍率达到6‑8倍，机械压缩强度达到2‑4Mpa，回弹率为52‑68％。

Description

一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及缓冲材料，特别是涉及一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法，属于缓冲包装技术领域。
背景技术
随着快消行业和物流包装行业的飞速发展，市场对缓冲包装材料的需求量与日俱增。然而，现今市面上主要的缓冲包装材料仍是石油基塑料制品。传统石油基塑料的大量使用不仅加剧化石资源的消耗，而且引发诸如“白色污染”等一系列环境问题。近年来，世界各国都对资源、环境问题高度重视，越来越多的国家立法禁用传统塑料作缓冲材料。人们纷纷把目光聚焦于开发新型绿色缓冲包装材料。其中，淀粉作为一种来源广泛、绿色可再生的廉价资源，使用后能快速降解成水和二氧化碳，对环境无污染，广受青睐；开发淀粉的缓冲包装材料被认为是有巨大潜力的新型绿色包装，可实现“绿色包装”的愿景。
目前已有一些关于淀粉发泡缓冲包装材料的研究报道，但是制备的产品多为发泡球或发泡条，普遍存在生产不稳定、生产成本高、产品适用范围窄、产品性能较差等缺点。究其原因，主要包括以下几个方面：淀粉分子具有大量的羟基基团，在加热条件下羟基基团暴露，极易与水分子发生氢键结合，导致发泡前的粒料总持有较高的水分；在后续干燥脱水和发泡成型时，因为氢键等作用力较强，水分逸出能力被限制；不仅使得发泡前料的水分控制难度被大大提升；而且导致发泡动力不足，发泡倍率低，发泡材料的孔隙结构不完整；不仅增加了发泡产品的加工操作难度，而且直接导致产品性能劣化，使得淀粉发泡得到的产品往往不具备良好的机械强度和抗冲击性能。水分在淀粉发泡过程中承担发泡剂和增塑剂的作用，对于淀粉基发泡缓冲包装材料的加工行为和机械性能有着极端重要的影响，精准控制水分是淀粉发泡生产的关键。
已有的淀粉发泡研究中，对水分的控制主要集中在“物理脱水”上；如在中国发明专利申请CN 106800674 A中，要求发泡机喂入颗粒的含水量严格控制在13-15wt％；该技术对原料水分进行了精确的要求，在原料预处理过程中采取了严苛的控水操作；中国发明专利申请CN107083005A公开了一种可生物降解的淀粉基发泡塑料母料及其发泡方法。先将淀粉和丙烯酸甲酯进行接枝共聚反应，制得改性淀粉并调整改性淀粉的含水量；然后再对聚丁二酸-丁二醇等生物可生物降解聚酯在低温下研磨成粉末；最后将改性淀粉、聚酯以及适量塑化剂、成核剂和润滑剂等混合，得到淀粉基发泡塑料母料；在该技术中，淀粉反应/挤出产物含有高额水分，需要事前离心机去水，在干燥器中干燥，直到能满足发泡所需水分要求。上述水分要求和控水方法，显著增加了生产过程的人工成本和能耗成本，且由于主要采用物理除水方法，除水效率低，大大延长了生产周期。
发明内容
本发明的目的是针对现有淀粉发泡产品加工技术的缺陷和不足，提供一种环保的，能耗低、效率高，发泡倍率高的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法，淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的发泡倍率达到6-8倍，机械压缩强度达到2-4Mpa，回弹率为52-68％。
本发明通过淀粉疏水改性结合微波干燥、恒温恒湿的方法精准调控热塑性淀粉发泡母粒水分质量含量，进而通过二次挤出发泡的方式生产出发泡倍率高、机械性能好的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。由于产品原料来源广泛、加工工艺简单且绿色环保、成品可根据需求随时进行后处理，对环境无任何污染。本产品加工体系能耗低、效率高，可集中生产母粒，异地生产发泡成品，提高产品的使用灵活性，并降低运输和贮存成本，适用于产业化生产。
在制备淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的过程中，本发明通过将“化学疏水法”和“物理脱水法”联用，精准控制发泡母料的水分，进而实现二次加工过程中发泡板材的性能全面提升和生产的稳定高效。微波干燥是一种连续高效的干燥方式，是工业生产中常用的有效干燥手段。恒温恒湿系统的设计和应用，不仅避免了材料干燥不均匀导致的局部水分偏高或偏低引起的发泡产品性能不稳定，同时有效防止了发泡前母粒复水和实现了物料的转运保护和短期存储。长链烯基琥珀酸酐含有两个疏水的长链烷基和一个具有反应性的羧酸酐基团，利用酸酐的高表面活性，在挤出机高温高压高剪切条件下可以与淀粉上的羟基发生酯化反应，在淀粉上引进疏水基团；在固态碱营造的弱碱性环境中，长链烯基琥珀酸酐得以与塑化的淀粉高效率地反应得到疏水改性的淀粉熔体；疏水改性后的淀粉长链游离出一定含量的疏水长链。长链疏水基向外排列，降低淀粉表面能，形成低能表面，致使淀粉和水的氢键结合能力减弱；使得制得的淀粉熔体具有更低的水分质量含量和更弱的水分保持/结合能力。一方面，低水分质量含量直接使得发泡母粒具备更优秀的熔体强度和韧性。另一方面，弱的水分保持/结合能力使得产品在微波干燥时的效率大幅提升，降低了干燥能耗，缩短了脱水时间；在恒温恒湿进一步平衡水分时，也因此提高了脱水效率，能有效减少材料局部水分偏高或偏低引起的发泡产品性能不稳定；在发泡时，弱的水分保持/结合能力意味着水分子更强的逸出能力，表现为产品的发泡倍率更高，泡孔更均匀、致密，力学性能更优秀；同时因为水分保持/结合能力的有效削弱大大降低了发泡产品的复水能力，利于存储和运输。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材及其制备方法，该发泡缓冲支撑板材以淀粉为主要原料，通过双螺杆挤出机反应挤出系统引入长链烯基琥珀酸酐进行酯化疏水改性，结合微波干燥和恒温恒湿的方法分步制备母粒和成品，其中，它包括以下重量份组分：淀粉70-80份，增塑剂4-8份，发泡剂3-6份，成核剂1-2份，固态碱1-5份，长链烯基琥珀酸酐1-5份，粘结剂1-5份。具体制备方法是：1)物料混合；2)淀粉发泡母粒的制备及初步水分控制；3)水分精准调控和保持；4)多层发泡缓冲支撑板材的制备。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述淀粉为源自马铃薯、玉米和木薯的原淀粉或氧化淀粉、酯化淀粉和交联淀粉等变性淀粉中的一种或多种。
优选地，所述增塑剂为甘油，聚乙烯醇，丙二醇和甘露醇中的一种或多种。优选地，所述成核剂为硅藻土、玻璃纤维、碳酸钙和蒙脱土中的一种或多种。
优选地，所述发泡剂为碳酸氢钠、乙醇、偶氮二甲酰胺和柠檬酸中的一种或多种。
优选地，所述的长链烯基琥珀酸酐为1-辛烯基琥珀酸酐、2-辛烯基琥珀酸酐和十二烯基琥珀酸酐中的一种或多种。
优选地，所述的固态碱为碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠等固态碱类物质的一种或多种。
优选地，所述的粘结剂为可生物降解的聚丙交酯(聚乳酸)、聚己内酯、聚酯酰胺、聚羟基丁酸/戊酸酯等聚酯类聚合物中的一种或多种。
所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)物料混合：将淀粉、增塑剂、成核剂、发泡剂、固态碱、长链烯基琥珀酸酐和粘结剂按质量份数比为70-80：4-8：1-2：3-6:1-5:1-5:1-5在高速混合机中以80-100r/min，60℃的条件充分搅拌混合，得混合物料备用；
(2)淀粉发泡母粒的制备及初步水分控制：利用双螺杆挤出机，在高温高压高剪切环境下，使得混合物料中的淀粉相得以酯化反应和塑化改性，经挤出机机头挤出形成线状产品；产品初始水分含量因疏水改性可控制在22-27wt％；
(3)水分精准调控和保持：采用连续隧道式微波干燥线微波加热干燥线状产品，使得产品得以在较低水分含量下(15-19wt％)直接切粒，得到待发泡母粒；进而将热塑性母粒运输到恒温恒湿房中(温度30-60℃，相对湿度20-70％)进一步平衡脱水，维持水分在14-17wt％同时实现短期存货和产品周转；
(4)多层发泡缓冲支撑板材的制备：采用配备有水平板材模头的单螺杆挤出机对母粒进行挤出发泡成板，经过冲裁、切割工序，定型后得到特定多层发泡缓冲支撑板材。
优选地，所述步骤(2)中，双螺杆挤出机共设七个加热区，第一加热区温度设定为30-50℃，第二加热区为50-60℃，第三加热区为50-60℃，第四加热区为50-60℃，第五加热区为100-150℃，第六加热区为100-150℃，第七加热区为60-80℃，模头温度为60-80℃，螺杆转速为100-180r/min；切粒机的切刀转速为30-60r/min，产出热塑性母粒水分含量为18-20％，大小为2-4mm，密度为2-3g/cm3。
优选地，所述步骤(3)中，微波干燥的功率为10-30kw，干燥时间为6-10s，淀粉母粒干燥后的水分含量为14-17wt％。
优选地，所述步骤(4)中，所述单螺杆发泡机的板材模头分水平的线型和波浪型两种，模口的宽度为500mm，模口的高度可调节范围为0-3mm，加工工艺共设3个加热段，第一加热区为100-130℃，第二加热区为160-180℃，第三加热区为190-210℃，模头温度为190-210℃，螺杆转速为100-180r/min；多层发泡缓冲支撑板材发泡倍率为6-8倍，机械压缩强度为2-5Mpa。
优选地，所述步骤(4)中，冲裁体系的压力为1-10MPa，冲压时间0.5-2s；单层发泡缓冲支撑板材的厚度为6-24mm，宽度为40-50cm。
一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，以淀粉为主要原料，双螺杆反应挤出的同时引入长链烯基琥珀酸酐进行淀粉酯化疏水改性，结合微波干燥和恒温恒湿对水分精确调控，分步制备发泡母粒和成品。它包括以下重量份组分：淀粉70-80份，增塑剂4-8份，发泡剂3-6份，成核剂1-2份，固态碱1-5份，长链烯基琥珀酸酐1-5份，粘结剂1-5份。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过淀粉疏水改性和微波干燥、恒温恒湿的方法联用，使得制备的发泡母料具备更低的水分质量含量和更弱的水分保持/结合能力，精准控制发泡前母粒的水分质量含量；结合单螺杆挤出发泡系统，能够使母粒在发泡瞬间形成发泡倍率高、强度高、韧性强、抗冲击和机械性能较好的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材；实现发泡产品性能全面提升同时，大大降低传统方法中对母粒脱水的高额成本。
2、本发明采用淀粉为主要原料，价格低廉，产品绿色可降解，不会对环境造成污染。淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的缓冲性能要远高于现有的淀粉发泡产品，弥补了淀粉发泡材料在缓冲包装领域的不足。
3、本发明将单双螺杆挤出机结合使用，分步制备母粒和成品，可直接将母粒发泡热压成型，简化生产工艺，效率高、能耗低。生产过程绿色环保没有废弃物和有毒物质产生，而且可集中生产母粒，异地生产成品，有效解决发泡缓冲支撑板材的储藏运输成本高、损失多的问题，提高产品的使用灵活性，利于产业化生产。
4、本发明的冲裁，切割工艺可控，所制得的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材尺寸可能动调整，方便产品根据需求进行再加工，可用于托装一切有规则形状的固态商品和预包装商品。
5、本发明的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，为淀粉基缓冲支撑板材的研究和应用提供了一种新颖的实用方法。
附图说明
附图为部分实施例和对比例中的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜(SEM)图。
图1实施例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。
图2对比例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。
图3对比例2所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。
图4对比例3所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。
图5对比例4所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但实施例并不对本发明保护范围构成限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，由以下步骤制备而成：
(1)称取80kg普通玉米淀粉(中粮食用玉米淀粉)，8kg甘油，7kg碳酸氢钠，1kg碳酸钙，2kg 1-辛烯基琥珀酸酐，2kg聚己内酯，在高速混合机中以30℃，80r/min的条件下充分搅拌混合12min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉基发泡母粒。双螺杆挤出机共7个加热段，温度分别设为50℃、50℃、70℃、100℃、110℃、110℃、75℃，机头温度设为75℃，螺杆转速为120r/min；双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分质量含量为24wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为20kw，干燥时间为7s，切粒机转速为50r/min；得到的母粒水分含量为16wt％；
(3)热塑性淀粉母粒运送至预设条件为温度为30℃，相对湿度40％的恒温恒湿房，平衡湿度2-4h；得到的干燥后的母粒水分为15wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有线型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.3mm，挤出机共3个加热段，温度分别设为100℃、160℃、190℃，机头温度设为190℃，螺杆转速为130r/min；
将4层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为10Mpa，冲压时间为2s，经测试，其发泡倍率为7倍，板材厚度为37mm，机械压缩强度为3.8Mpa。
使用切割机对多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为40cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
图1为本发明实施例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材产品切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。从图1可见，本实施例所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材内部呈现均匀致密的蜂窝状孔隙-孔壁结构，能有效分散外部施加的压力，表现为优秀的缓冲性能。
实施例2
一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，由以下步骤制备而成：
(1)称取80kg木薯氧化淀粉(河南恒瑞惠康HS0C504)，8kg聚乙二醇，5kg柠檬酸，1kg硅藻土，2kg碳酸钠，2kg 2-辛烯基琥珀酸酐，2kg聚乳酸，在高混机中以70℃、90r/min的条件充分搅拌混合13min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。双螺杆挤出机共7个加热段，温度分别设为30℃、60℃、70℃、100℃、130℃、130℃、70℃，机头温度设为70℃，螺杆转速为100r/min，双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分质量含量为25wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为25kw，干燥时间为7s，切粒机转速为60r/min；得到的母粒水分含量为18wt％；
(3)热塑性淀粉母粒运送至预设条件为温度为30℃，相对湿度40％的恒温恒湿房，平衡湿度6-8h；得到的干燥后的母粒水分为14wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有波浪型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.5mm，挤出机共3个加热段，温度分别设为120℃、170℃、200℃，机头温度设为200℃，螺杆转速为150r/min；
将3层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为8Mpa，冲压时间为2s，经测试，其发泡倍率为8倍，板材厚度为35cm，机械压缩强度为2.8Mpa。
使用切割机将多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为30cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
实施例3
一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，由以下步骤制备而成：
(1)称取75kg玉米羟丙基淀粉(河南恒瑞惠康HP102)，8kg甘露醇，5kg乙醇，2kg玻璃纤维，4kg氢氧化钠，4kg十二烯基琥珀酸酐，2kg聚戊酸酯，预混料在高混机中以100r/min、60℃的条件充分搅拌混合14min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。双螺杆挤出机共7个加热段，温度分别设为40℃、50℃、70℃、120℃、120℃、120℃、65℃，机头温度设为65℃，螺杆转速为140r/min，双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分质量含量为22wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为30kw，干燥时间为6s，切粒机转速为60r/min；得到的母粒水分含量为17％；
(3)热塑性淀粉母粒运送至至预设条件为温度为60℃，相对湿度50％的恒温恒湿房，平衡湿度3-5h；得到的干燥后的母粒水分为15wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有线型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.6mm，挤出机共3个加热段，温度分别设为130℃、180℃、200℃，机头温度设为200℃，螺杆转速为150r/min；
将5层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为12Mpa，冲压时间为2s，经测试，其发泡倍率为6.5倍，板材厚度为56mm，机械压缩强度为4.2Mpa。
使用切割机对多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为40cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
1、对比板材
对比例1(不经疏水改性)：
(1)称取80kg木薯原淀粉(普罗星一级食用木薯粉)，8kg聚乙二醇，5kg柠檬酸，5kg硅藻土，2kg聚乳酸在高混机中以100r/min、70℃的条件充分搅拌混合14min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。挤出机共7个加热段，温度分别设为30℃、50℃、90℃、110℃、130℃、130℃、70℃，机头温度设为70℃，螺杆转速为125r/min；双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分质量含量为32％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为25kw，干燥时间为9s，切粒机转速为55r/min；得到的母粒水分含量为25wt％；
(3热塑性淀粉母粒运送至预设条件为温度为50℃，相对湿度20％的恒温恒湿房，平衡湿度40-48h；得到的干燥后的母粒水分为16wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有波浪型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.3mm，温度分别设为125℃、175℃、205℃，机头温度设为200℃，螺杆转速为150r/min；
将3层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为8Mpa，冲压时间为1.5s，经测试，其发泡倍率为5倍，板材厚度为21mm，机械压缩强度为1.8Mpa。
使用切割机将多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为30cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
图2为对比例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材产品切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。从图2可见，本对比例所得的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材内部呈现的是标准的闭孔结构，泡孔体积小，孔壁厚度不均匀；这是由于淀粉熔体与水分强的结合能力，水分子逸出受阻，发泡动力不足，难以得到发泡倍率高的产品。不仅如此，低发泡倍率的产品表现出差的压缩回弹性能，无法有效分散外部施加的压力，无法胜任缓冲包装材料。
对比例2(不经微波处理)：
(1)称取75kg木薯氧化淀粉(泰国泰华玫瑰木薯氧化淀粉)，5kg聚乙烯醇，8kg柠檬酸，8kg硅藻土，4kg聚己内酯在高混机中以90r/min、60℃的条件充分搅拌混合13min。
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。挤出机共7个加热段，温度分别设为30℃、50℃、90℃、130℃、130℃、130℃、70℃，机头温度设为70℃，螺杆转速为120r/min；双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的水分质量含量为25wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为20米的冷风传送床冷却脱水后过切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，冷风床系统功率为50kw(负载有30台强力工业风扇，每台额定功率240w)，干燥时间为30s，切粒机转速为45r/min；得到的母粒水分含量为23wt％；
(3)热塑性淀粉母粒运送至预设条件为温度为30℃，相对湿度30％的恒温恒湿房，平衡湿度30-36h；得到的干燥后的母粒水分为17wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有波浪型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.5mm，温度分别设为120℃、170℃、200℃，机头温度设为200℃，螺杆转速为150r/min；
将5层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为8Mpa，冲压时间为1.5s，经测试，其发泡倍率为5倍，板材厚度为36mm，机械压缩强度为1.7Mpa。
使用切割机将多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为20cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
图3为对比例2所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材产品切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。从图3可见，本对比例2所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材内部呈现严重的破壁现象，这是由于未经热风直接干燥熔体导致纺线熔体表面明显固化，阻碍了后续进一步对熔体内部水分的脱除；熔体内实际保留了很大比例的水分含量，熔体经长链烯基琥珀酸酐改性后具备低的水分结合能力，导致单螺杆发泡时发泡动力过剩，呈现泡孔破壁甚至通孔现象。这样的产品虽然表现为高的发泡倍率，但是承力能力低，回弹效果差，不能作为理想的缓冲包装材料。
对比例3(不经恒温恒湿处理)：
(1)称取75kg玉米醋酸酯淀粉(普罗星玉米醋酸酯淀粉)，8kg聚乙二醇，5kg柠檬酸，5kg硅藻土，7kg聚酯酰胺在高混机中以90r/min、60℃的条件充分搅拌混合15min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。挤出机共7个加热段，温度分别设为50℃、60℃、100℃、130℃、150℃、130℃、70℃，机头温度设为70℃，螺杆转速为150r/min；双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分质量含量为25wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为30kw，干燥时间为8s，切粒机转速为60r/min；得到的母粒水分含量为21％；
(3热塑性淀粉母粒运送至绞龙热风干燥机，干燥系统功率为20kw，干燥时间为12h，绞龙转速为30r/min；得到的干燥后的母粒水分为19％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有波浪型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.5mm，温度分别设为130℃、170℃、210℃，机头温度设为200℃，螺杆转速为160r/min；
将8层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为8Mpa，冲压时间为1.5s，经测试，其发泡倍率为5倍，板材厚度为57mm，机械压缩强度为2.0Mpa。
使用切割机将多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为80cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
图4为对比例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材产品切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。从图4可见，本对比例3所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材内部呈现极端的泡孔不均匀现象，这是由于未经恒温恒湿处理而选择热风直接干燥熔体颗粒导致颗粒内部水分分布不均匀；熔体内实际保留的合适比例的水分含量因为分布的因素，单螺杆发泡时各处发泡作用力不统一，表现为泡泡孔大小不一，孔壁厚度不均匀，甚至出现局部碳化的现象。这样的产品不仅外观差，形状不规则，而且缓冲效果、承力能力、回弹效果差，无法用作缓冲包装材料。
对比例4(低温低转速挤出)：
(1)称取80kg玉米原淀粉(山东福洋食用普通玉米淀粉)，0.5kg十二烯基琥珀酸酐，8kg聚乙烯醇，4kg偶氮二甲酰胺，4kg蒙脱土，4kg聚羟基丁酸在高混机中以90r/min、60℃的条件充分搅拌混合12min；
(2)经双螺杆挤出机(长径比为30:1)挤出得到淀粉母粒。挤出机共7个加热段，温度分别设为40℃、60℃、80℃、90℃、90℃、90℃、70℃，机头温度设为60℃，螺杆转速为60r/min；双螺杆挤出机挤出制得的热塑性淀粉线状产品的初始水分含量为29wt％；塑化改性后的挤出产品经全长为12米的连续隧道式微波烘干后切粒机切粒，得到热塑性发泡母粒，微波干燥系统功率为25kw，干燥时间为10s，切粒机转速为50r/min；得到的母粒水分含量为24％；
(3热塑性淀粉母粒运送至至预设条件为温度为60℃，相对湿度20％的恒温恒湿房，平衡湿度45-48h；得到的干燥后的母粒水分为18wt％；
(4)热塑性发泡母粒经配置有线型板材模头的单螺杆发泡机发泡成板，模口的宽度为500mm，模口的高度1.6mm，温度分别设为100℃、170℃、190℃，机头温度设为190℃，螺杆转速为150r/min；
将4层淀粉发泡板材送入冲压机中进行冲裁，压力为8Mpa，冲压时间为1.5s，经测试，其发泡倍率为4倍，板材厚度为26mm，机械压缩强度为2.0Mpa。
使用切割机将多层淀粉发泡板材进行切割，得到每段长为50cm的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材。
图5为对比例1所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材产品切面的扫描式电子显微镜图(SEM)。从图5可见，本对比例4所得淀粉基多层发泡缓冲支撑板材内部连续的通孔，这是由于低温低压低剪切条件下，限制了长链烯基琥珀酸酐疏水改性的作用效果，后续水分调整困难，发泡时高的水分含量致使孔隙-孔壁结构破坏。
2、将实施例1、2、3与对比例1、2、3、4各阶段制得的热塑性母粒(线粒)进行水分测定和对脱水后的发泡母粒进行密度测定。
1)水分测定：采用上海洪纪仪器设备有限公司MB35型的水分测定仪，温度设置为130℃，测试时间设定30min，每个样品平行测五个，计算平均值并记录；
2)密度测定：称取一定重量的发泡母粒，采用排水法测得所称母粒的总体积，最后按公式m(母粒总重量)/v(母粒总体积)计算出表观密度(ρ)/(g/cm3)，每个样品平行测五个，计算平均值并记录；
表1不同发泡母粒的相关性能测定
Figure BDA0002911894280000111
3、将实施例1、2、3制得的产品与对比例1、2、3、4制得的产品进行发泡倍率和机械压缩强度测定。
1)机械压缩强度测定：采用美国Instron公司的ASTM 4201型力学性能测试仪。将裁剪成特定形状的发泡缓冲支撑板材固定在测试台上，测试探头以3mm/min的速度向下压缩到板材厚度的50％，得到压力数据，测得即为发泡缓冲支撑板材所能承受最大应力。继而以10mm/min的速度复位探头到初始位置的同时记录回复至探头不受支持力时的回复距离即为回弹距离，仪器自动记录回弹距离和计算得到的回弹率。
2)发泡倍率性能测定：通过游标卡尺量取制得的单层发泡板的厚度D1和单螺杆挤出机的模头模口高度D2，并按照公式D1/D2得到测试结果(表2)。
表2不同产品的发泡倍率和机械压缩强度
Figure BDA0002911894280000121
由表1测试结果可以看出，疏水改性后的淀粉熔体在双螺杆挤出机产出时就已经具备明显更低的水分质量含量；发泡母料具备较低的密度。对比例中由于没有经长链烯基琥珀酸酐疏水改性，挤出机的产品的初始水分质量含量集中在30％左右，改性后普遍降低5-8％；后续脱水需要严苛的温度湿度条件和漫长的时间，这给连续化生产带来很大负担，同时显著提高成本，实施例2在恒温恒湿的过程中，6-8h可以将母料的水分质量含量从18％降到14％；而对比例1中，以恒温恒湿的方式将母料的水分质量含量从22％降到16％需要40-48h；这是出于未经疏水改性的淀粉熔体强的水分结合能力给控水带来的困难；理论上水分含量越低，降水越困难，将母料的水分质量含量从18％降到14％更困难。
对比例2验证了传统干燥方式，如冷风干燥，明显难以达到微波干燥显著降水的效果；不仅如此，得到的母粒水分含量虽为23％；但是脱水基本源自线状熔体的表层，呈现的是熔体颗粒水分分布不均匀现象，此外，由于淀粉较差的导热性和表层失水固化导致内部的水分很难进一步散失，给后续脱水造成很大困难热；塑性淀粉母粒运送至预设条件为温度为30℃，相对湿度30％的恒温恒湿房，平衡湿度64-72h；才能得到水分为17％的母粒供以发泡。
在实施例3中，采用现在较为先进的动态热风干燥法，效果明显不如恒温恒湿处理法。此外，该法受限于机器仓体的大小和机器的低效率，处理量小、处理时间长，而且常常需要对处理后的产品进行密封处理和周转储运，严重拖延生产进度，增加生产成本。不仅如此，恒温恒湿脱水能有效避免传统热风干燥、风干等脱水不均匀(表现为同一条件下得到发泡前料水分质量含量的差异较大)造成的后续脱水困难和发泡产品性能不稳定(高水分质量含量的发泡前料直接发泡无法成型为平整板材，表现为大面积的坍缩和局部的泡孔扩张破壁；即便能基本成型的板材也因为大量水分逸出造成的开孔甚至通孔结构，在短期存放后复水严重，皱缩显著，无法使用)。
在实施例4中，尝试采用较低转速和较低喂料条件实现较低温度、低压低剪切的生产方法。得到的产品因为温度和剪切力的不足，导致疏水改性程度低，产出时的熔体具备很高的水分含量(36wt％)。后续增大脱水处理强度，脱水效果仍然不理想。
本方法将双螺杆挤出疏水改性控制初始水分、微波干燥快速降低水分、恒温恒湿精准调控水分协同配合；在整个过程中疏水改性可以使得初始水分质量含量降低4-6％、微波干燥快速降低水分实现快速脱水6-10wt％、最后恒温恒湿精准调控水分到总物质质量含量的13-17％以供直接发泡。可以说，本发明发现选用1-辛烯基琥珀酸酐、2-辛烯基琥珀酸酐和十二烯基琥珀酸酐中的一种或多种的长链烯基琥珀酸酐对淀粉进行疏水改性，通过本发明配方制备过程水分控制，可方便地将热塑性淀粉线状产品水分质量含量控制在22-27％，将进一步将初步脱水的产品的水分质量含量控制在15-19％，以及将平衡脱水产品的水分质量含量控制在14-17％，因而制备出综合性能优异的缓冲支撑板材，淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的发泡倍率为6-8倍，机械压缩强度为2-4Mpa，回弹率为52-68％。
本发明的实施方式并不受上述实施案例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）物料混合：将淀粉、增塑剂、成核剂、发泡剂、固态碱、长链烯基琥珀酸酐、粘结剂按质量份数分别为70-80份、4-8份、1-2份、3-6份、1-5份、1-5份、 1-5份充分搅拌混合，得混合物料；所述的长链烯基琥珀酸酐为1-辛烯基琥珀酸酐、2-辛烯基琥珀酸酐和十二烯基琥珀酸酐中的一种或多种；
（2）淀粉发泡母粒的制备及初步水分控制：利用双螺杆挤出机，在高压高剪切作用下，使得混合物料中的淀粉相得以酯化疏水改性和充分塑化，经挤出机模头形成热塑性淀粉线状产品；控制所得热塑性淀粉线状产品水分质量含量为22-27％；通过连续隧道式微波干燥线加热干燥，制备得到初步脱水的产品，控制所得初步脱水的产品的水分质量含量为15-19%，切粒，得到待发泡母粒；所述的双螺杆挤出机共设七个加热区，第一加热区温度设定为30-50℃，第二加热区为50-70℃，第三加热区为70-100℃，第四加热区为90-120℃，第五加热区为100-150℃，第六加热区为100-150℃，第七加热区为60-80℃，模头温度为60-80℃，螺杆转速为100-180 r/min；所述的微波干燥线加热干燥的微波功率为20-30 kw，加热干燥时间为6-10 s；
（3）淀粉发泡母粒的精准水分调控：将发泡母粒在温度30-60℃相对湿度20-70%条件下进一步平衡脱水，控制所得产品水分质量含量在14-17%；
（4）多层发泡缓冲支撑板材的制备：对步骤（3）所得的淀粉发泡母粒进行发泡成板，冲裁、切割，定型后得到多层发泡缓冲支撑板材。
2.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，其特征在于，所述淀粉为原淀粉、氧化淀粉、酯化淀粉和交联淀粉中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，所述的原淀粉为马铃薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉、高粱淀粉、绿豆淀粉、小麦淀粉和大米淀粉中的一种或多种；
所述的氧化淀粉为木薯氧化淀粉、马铃薯氧化淀粉、玉米氧化淀粉、小麦氧化淀粉和大米氧化淀粉中的一种或多种；
所述的酯化淀粉为木薯酯化淀粉、马铃薯酯化淀粉、玉米酯化淀粉、小麦酯化淀粉和大米酯化淀粉中的一种或多种；
所述的交联淀粉为木薯交联淀粉、马铃薯交联淀粉、玉米交联淀粉、小麦交联淀粉和大米交联淀粉中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，所述成核剂为硅藻土、玻璃纤维、碳酸钙和蒙脱土中的一种或多种；所述增塑剂为水、甘油、聚乙烯醇、丙二醇和甘露醇中的一种或多种；所述发泡剂为水、碳酸氢钠、乙醇、偶氮二甲酰胺和柠檬酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，所述的固态碱为碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠和碳酸氢钠中的一种或多种；所述的粘结剂为聚丙交酯、聚己内酯、聚酯酰胺和聚羟基丁酸/戊酸酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的将发泡母粒在温度30-60℃相对湿度20-70% 条件下进一步平衡脱水是在恒温恒湿房中进行。
7.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的对步骤（3）所得的淀粉发泡母粒进行发泡成板采用配备有水平板材模头的单螺杆挤出机进行。
8.根据权利要求1所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的充分搅拌混合是在高速混合机中以60-100 r/min，60-80℃搅拌12-15min；
步骤（2）中，切粒所用切粒机的切刀转速为30-60 r/min。
9.根据权利要求7所述的淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的制备方法，其特征在于，所述单螺杆挤出机的板材模头分水平的线型和波浪型两种，模口的宽度为500mm，模口的高度可调节范围为0-3mm，加工工艺共设三个加热区间：第一加热区温度设定为100-130℃，第二加热区为160-180℃，第三加热区为190-210℃，模头温度为190-210℃，螺杆转速为100-180r/min；所述的冲裁的压力为1-10 MPa，冲压时间0.5-2 s；所述的切割的切刀转速为1000-2000 r/min。
10.一种淀粉基多层发泡缓冲支撑板材，其特征在于其由权利要求1-9任一项所述的制备方法制得；淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的单层厚度6-24mm，宽度为40-50 cm；淀粉基多层发泡缓冲支撑板材的发泡倍率为6-8倍，机械压缩强度为2-4 Mpa，回弹率为52-68%。
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