生物可降解EVA/淀粉复合材料制备及EVA生物降解机理的研究

Ethylene-co-vinyl acetate (EVA) was widely used in the field of packaging etc., however it is not easy to be biodegraded after disposal. In this study, a method to prepare biodegradable EVA composites and a method to accelerate its biodegradation rate will be developed. Firstly, the effect of chemical bounding, molecular structure of EVA, blending ratio and processing conditions on the phase morphology and mechanical properties of the reactively extruded EVA/starch composites will be discussed. Then the composites will be subjected to biocompost experiment to check the effect of starch/EVA composition, molecular structure, phase structure and compost conditions on the degradation behavior of the composites. The biodegradation degree and rate would be enhanced via tailoring the dispersion of starch, interface, molecular structure of EVA and the compost conditions. Moreover, high concentration bacteria solution will be prepared for accelerated degradation experiment on the composites. A biodegradation mechanism of EVA in the presence of starch will be revealed by deep study on the changes of phase morphology and molecular structure of EVA during degradation in combination with accelerated degradation kinetics and modeling. This study will provide necessary theory and techniques for designing and preparation of a series of novel environmentally friendly materials.

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）广泛用于包装材料等领域，但其废弃后难生物降解。本课题将建立和发展一种生物可降解EVA复合材料制备技术和加速降解方法。首先研究EVA/淀粉反应挤出条件下化学耦合、EVA分子结构、组分配比和加工条件等对复合材料相结构和机械性能的影响规律，优化材料性能，建立结构与性能的关系，阐明制备原理和制备过程。然后将复合材料通过堆肥降解试验考察淀粉和EVA的组成、分子结构、相结构和堆肥条件等对复合材料生物降解行为的影响规律，通过调控淀粉的分散与分布、界面结合、EVA分子结构以及堆肥条件等提高EVA的生物降解程度和降解速率。最后，培养高浓度菌群溶液，对材料实施加速降解试验，深入研究降解过程中材料的相结构破坏规律和EVA分子结构的演化规律，建立EVA加速降解动力学模型并模拟计算，力图揭示EVA在淀粉调控下的生物降解机理，为设计、制备一系列新型环境友好材料提供必要的理论和技术基础。

乙烯醋酸乙烯酯橡胶（EVA）是一种特种合成橡胶，但自身强度低，需要与炭黑和白炭黑等传统补强剂复合才具有应用价值。随着生物基材料的发展，淀粉作为一种新型填料有望提高材料的机械性能，并赋予材料一定的生物质特性和降解性。然而淀粉表面富含羟基，在疏水性聚合物基体中分散困难且界面作用力差。针对这些基础问题，本研究围绕EVA和淀粉开展了多相多组分复合材料制备、结构与表界面调控、降解行为以及其他相关性能的研究。通过原材料的选择（淀粉种类、EVA分子结构设计）、淀粉的物理/化学改性（包括粒径调控、疏水改性和功能化等）、表界面性能调控，制备了性能优异的EVA/淀粉相关的复合材料，使EVA的强度提高了3倍以上；通过引入聚羟基脂肪酸酯和原位增容等技术还制备了微观结构可控、综合性能优异的可降解EVA/starch/PHA合金材料。通过溶液和热氧加速降解方法研究了复合材料的降解行为，发现EVA在普通条件下降解速率缓慢，但微量的硬脂酸锰可以显著加速其热降解过程。通过分子结构表征研究了降解的机理。本课题还对研究内容进行适当拓展，进行了一些生物降解材料相关的研究工作，如EVA/纤维素纳米复合材料、纳米纤维素/聚乳酸基复合材料以及生物降解材料（如聚乳酸）的结晶与凝聚态结构调控等。基于上述研究，发表SCI论文24篇，申请中国发明13项，已授权5项。上述研究为淀粉和乙烯醋酸乙烯酯改性、相关复合材料微观结构与宏观性能调控提供了新思路和方法，为乙烯醋酸乙烯酯橡胶和淀粉及其复合材料的产业化应提供了重要的理论依据和技术支撑。