摘要
本论文以淀粉为主要原料通过热塑性挤出的方法制备了一种可降解吸管并以分子取向理论为指导，通过探究挤出过程不同螺杆转速对淀粉熔体的影响，揭示了剪切力在机腔内对淀粉熔体的作用机制。随后，本论文基于聚合物成型工艺，通过快速冷却和退火的方式调控淀粉吸管凝聚态结构的取向与解取向行为，诱导淀粉吸管产生兼具强度和韧性的结构并对其在老化试验箱中进行老化特性的探究。结果表明: (1)通过分析和比较不同螺杆速度下淀粉秸秆的结构和性能，揭示了螺杆速度在热塑性挤出过程中的作用机理。螺杆转速的增加促进了氢键的破坏，导致淀粉吸管的相对结晶度和糊化焓的降低，还降低了淀粉吸管中支链淀粉的长链(DP＞24)比例。淀粉吸管中短链(6≤DP≤24)比例随螺杆转速的提高而线性增加。此外，螺杆转速通过改变淀粉吸管中的直链淀粉含量来影响淀粉吸管的取向度和弯曲强度。通过研究发现螺杆转速与淀粉链堆积密度呈负相关。较低的螺杆速度导致淀粉吸管较高的最大弯曲力和更低的吸水率。本研究通过对不同螺杆转速下淀粉吸管的结构和性能进行比较和分析，揭示了热塑性挤出过程中，螺杆转速对淀粉吸管凝聚态结构的作用机制，填补了淀粉热塑性挤压剪切力影响机制的空白并确定了制备淀粉吸管最佳性能的螺杆转速(7Hz)。 (2)在最优螺杆转速下通过热塑性挤压和冷却成型工艺制备淀粉吸管，评估了不同冷却温度对淀粉吸管结构和性能的影响，揭示了不同冷却成型过程中淀粉氢键、分子链间相互作用力、分子运动特征、取向态分子结构等性质的变化规律。与不经冷却温度处理的淀粉吸管相比，随着冷却温度从25℃降到-20℃。1047cm-1与1022cm-1的吸收峰比值、相对结晶度和最大弯曲力值随着冷却温度的降低而逐渐增加。此外，在所有淀粉吸管样品中在-20℃冷却的吸管其吸水率最低。这些现象都表明淀粉熔体从模头挤出后在-20℃下冷却时，更容易形成紧密、规整的取向态结构。本章节的研究内容不仅有效解决了淀粉吸管质地脆、以及耐水性差的难题，还为有效改进淀粉吸管挤压后的冷却成型工艺提供了理论依据。 (3)在最优螺杆转速和最佳快速冷却温度下制备淀粉吸管并随后进行退火处理。制备并比较了在不同退火温度下处理的淀粉吸管的结构和性能。结果表明:淀粉吸管是否具有延展性取决于凝聚态中的非晶态结构。在90℃下退火的淀粉吸管其弯曲强度最小，显示出最大的延展性。然而，随着退火温度的升高，在110℃和130℃下退火的淀粉吸管其弯曲强度反而降低，这表明较高的退火温度会促进结晶结构的完善和无定形结构的减少。较高的退火温度还会促进无序链段之间的缠结从而形成新的完美晶体。在较低的退火温度下(70℃和90℃),退火通过促进微晶融化，取向态结构部分解取向方式从而使淀粉吸管的相对结晶度降低，无定形结构增加;而在较高的温度下(110℃和130℃),退火会促进原有晶体结构完善以及形成新的晶体结构。此外，本章节内容中淀粉吸管的吸水率随着退火温度从70℃升高到90℃证实水分子优先攻击淀粉的无定形结构。然而，随着退火温度升高到110℃和130℃,吸水性降低证实，有序的结晶结构可以在一定程度上阻碍水分子的入侵。本章的研究内容完善了退火调控淀粉吸管凝聚态结构的作用机制，为精确调节退火温度以提高淀粉吸管的机械强度、延展性和疏水性为从实现淀粉吸管产业化奠定了理论基础。 (4)通过比较快速冷却和退火处理的淀粉吸管与不经处理制备的淀粉吸管在老化试验箱中放置不同时间后的结构和性能，揭示了老化对淀粉吸管使用性能的影响机制。研究结果证实老化引起淀粉吸管性能改变的原因是淀粉链重排形成新的双螺旋结构，进而包装成新的晶体结构。淀粉吸管的晶体结构改变影响了其糊化特性。此外，随着淀粉吸管在老化箱中老化时间的不断增加，淀粉吸管内部的直链和支链淀粉先后重结晶形成新的晶体结构，提高了淀粉吸管的致密性，导致淀粉吸管吸水率降低以及提高了其力学性能。此外，直链及支链淀粉的回生，吸管内游离的羟基减少，导致淀粉吸管的水分含量随着老化时间的延长而逐渐降低。 本论文交叉高分子物理与凝聚态成型工艺等学科并引入了分子链取向理论。通过利用快速冷却的温度效应来诱导调控淀粉熔融挤出后的分子链的大尺度取向行为，到达高强度和耐水性的目的。随后以退火的温度效应调控取向链的部分链段小尺度解取向达到淀粉吸管同时兼具强度和韧性的目的。本论文建立了温度效应对淀粉吸管凝聚态结构形成和调控的作用机理，为精准调控淀粉吸管的凝聚态结构实现具有高强度、高韧性、耐热水浸泡性的淀粉吸管提供一种新思路和理论应用基础。
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