植物纤维/淀粉异质类材料制品的全开放式泡孔结构形成机理及性能调控

Because the raw materials can be renewable and products can be biodegradable, the plant fiber/starch heterogeneous biomass materials are an ideal alternative of plastic. There are a lot of open cell structures in the biomass materials. Therefore, the material has good properties, such as good buffer, heat insulation and sound insulation. However, there are several problems in the process of product molding as following. 1) The mechanisms that the open cell are formed from the burst of bubble is not clear. 2) The rule of dynamic temperature, stress at different growth stages of open cell is not clear. 3) The correlation model between the ingredients, molding process and material properties is lacking..To solve above problems, this project focuses on: 1) bubble nucleation and fracture mechanism in plant fiber / starch heterogeneous materials, and a new model of bubble wall rupture in heterogeneous materials: local shrinkage-stress limit model, 2) the starch cross-modified method , plasticization-oxidation-esterification, and plant fiber modified method, hydrogen peroxide-urea at low temperature, the forming mechanism of hydrogen bond between the modified plant fiber and the modified starch, 3) the dynamic controlling mechanism of the temperature field and the pressure field for open cell structure at different growth stages, 4) the prediction model and property-driven product design method based on the multi-component and component-multi-process parameter coordination mechanism.

植物纤维/淀粉异质类生物质材料制品，原料可再生，废弃后可自然降解，是塑料类制品的理想替代品。材料内部广泛分布开放式泡孔结构使材料具备良好缓冲、隔热、隔声等性能。但制品成型过程存在如下问题亟需解决：1）制品内气泡壁破裂形成开放式泡孔结构的机理不明确；2）开放式泡孔不同生长阶段温度场、压力场动态变化机制不明确；3）缺乏配伍成分、成型工艺与材料性能的关联模型。.围绕以上问题，项目拟重点开展：1）研究植物纤维/淀粉异质类材料制品内气泡成核与破裂机制，提出异质类材料中气泡壁破裂新模型：局部收缩-应力极限模型；2）提出淀粉塑化-氧化-酯化交叉改性法和植物纤维素过氧化氢-尿素低温改性法，研究改性淀粉与改性纤维素之间氢键形成机制，实现相容；3）揭示开放式泡孔结构不同生长阶段温度场及压力场动态调控机制；4）构建基于多成分组元-多工艺参数协同关联机制的材料性能预测模型，提出产品性能驱动的材料快速设计计算方法。

生物质复合材料制品因来源广、成本低、全降解的优势被认为是部分塑料制品的理想替代品，有望应用于工业缓冲包装、一次性餐饮用具及农林育苗盘等领域。但是目前生物质制品存在原材料彼此相容性差、发泡不均匀、泡孔结构难调控等问题，严重制约了这类材料的发展与工业化应用。因此，本项目针对两种常见的生物质原材料——淀粉与植物纤维相容及成型过程中的瓶颈问题进行研究，最终解决了二者相容难题，并建立了成型过程中气泡壁破裂新模型，为气泡结构调控指明了方向。. 本项目针对复合材料成型过程中的瓶颈问题进行了重点研究，主要包括以下几点：1）研究了不同种类成核剂对制品内部泡孔结构的影响，并建立了“局部收缩一应力极限”气泡破裂模型，发现气泡壁的弹性回缩是全开放式泡孔结构形成的必要条件；2）分别研究了单一及交叉改性对淀粉晶体结构的影响及过氧化氢-尿素低温改性对植物纤维活性位点增强效果，解决了淀粉与植物纤维相容性差的问题，并阐明了不同改性方式对淀粉与植物纤维氢键作用的增强原理；3）探究温度场/压力场对淀粉/植物纤维复合材料内部泡孔的影响规律，优化了复合材料成型工艺参数，并研发了相应的发泡成型设备，实现温度场及压力场的动态可控；4）探究多成分组元-多工艺参数对材料性能的协同关联机制，提出材料性能预测模型构建方法，开发了产品性能驱动的材料快速配伍系统，实现了不同性能要求的材料配伍和成型工艺参数的快速设计。. 基于以上研究内容与研究结论，本项目发表或者完成多项成果，主要包括：1）已培养博士研究生1名，硕士研究生5名；2）发表论文19篇；其中SCI/EI收录18篇，其中在Journal of Cleaner Production、Carbohydrate Polymers等国际高水平期刊发表论文4篇；3)已申请发明专利4项；实用新型专利2项；4）项目组积极参与学术活动，成员平均每年至少参加一次国际或者国内相关会议。