特性

       淀粉是最丰富的生物聚合物之一。它是完全可生物降解的、廉价的、可再生的，并且可以很容易地进行化学改性。因此，淀粉及其衍生物作为传统石油基塑料的可生物降解替代品受到越来越多的关注也就不足为奇了。玉米、马铃薯、木薯和小麦淀粉是最丰富和最便宜的淀粉。

       像纤维素一样，淀粉可以被认为是缩聚物，因为它的水解产生葡萄糖分子：

       淀粉分子的环状结构与强氢键一起赋予淀粉刚性结构并导致高度有序的结晶区域。这就解释了为什么淀粉具有高玻璃化转变温度和熔点，以及为什么未改性淀粉只溶于热水。颗粒首先膨胀并松散其半结晶结构，然后破裂。释放出的直链淀粉和支链淀粉分子逐渐溶解并形成一个保持水分的网络。这个过程被称为淀粉糊化，这也是淀粉在烹饪过程中变成高粘度糊状物的原因。

       对于工业应用和某些食品应用，有时会对淀粉进行化学改性。这包括 酯化、醚化和氧化。这些化学改性是通过在控制 pH 值和温度的同时向含水淀粉浆中添加合适的试剂来实现的。通常加入硫酸钠或氯化钠以限制淀粉颗粒的膨胀。反应完成后，浆液用盐酸或硫酸中和，然后过滤、洗涤和干燥。商业淀粉的取代度通常相当低，但会极大地改变其特性。取决于试剂，反应导致非离子， 具有显着不同特性的阳离子、阴离子或疏水性淀粉。例如，取代的类型和程度会改变淀粉的糊化温度和粘弹性和机械性能。它还通过控制或阻断直链淀粉和支链淀粉分子的结合来影响溶解或分散的淀粉颗粒的稳定性。某些修改还提高了冻融稳定性，这对冷冻食品很重要。

淀粉酯和醚

       两种最常见的淀粉衍生物是乙酸淀粉制备通过酯化与乙酸酐和 羟丙基淀粉通过醚化用环氧丙烷制备。酯化通常在 pH 7 - 9 下进行，醚化在 pH 11 - 12 下进行，温度通常保持在 60°C 以下。由于增加了疏水性，这些化学改性提高了稳定性，降低了浆液/溶液粘度并改善了淀粉的成膜性能。

糊精和稀淀粉

       淀粉有时会部分解聚，这会降低其溶液粘度。这种形式的淀粉通常称为稀释淀粉。解聚可以通过酸或氧化剂处理来实现，例如通过在40-60°C下用稀乙酸、盐酸或硫酸处理粒状淀粉的浆液。糊精具有更低的分子量。它们是通过将干燥的酸化淀粉暴露在干热下生产的。

聚葡萄糖（Polyglucosides）

       烷基聚葡萄糖（也称为烷基聚葡萄糖苷）如月桂基聚葡萄糖衍生自葡萄糖或淀粉和脂肪醇。它们通常用作（无硫酸盐）化妆品、沐浴露和洗发水中的多用途、可完全生物降解的非离子辅助表面活性剂。

阳离子淀粉

       季铵淀粉是最常见的商业阳离子淀粉。它是通过在碱性条件和环境温度或略微升高的温度下用 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵或其衍生物处理淀粉而制备的。阳离子淀粉广泛用作纸张添加剂、乳液稳定剂、絮凝剂、增稠剂和施胶剂。最重要的应用之一是纸张和纸板的生产。众所周知，阳离子淀粉可提高撕裂强度，有助于将颗粒粘合在一起并粘合在原纸材料上，并增加纤维和填料的保留率

阴离子/氧化淀粉

       商业上重要的阴离子淀粉包括磷酸化、氧化和羧烷基化淀粉。最常见的阴离子淀粉形式是 磷酸化淀粉。它是通过用三聚磷酸钠处理淀粉而制备的。值得注意的是羧甲基淀粉，它是通过用一氯乙酸钠处理淀粉和聚（丙烯酸）-淀粉接枝共聚物制备的。

       氧化或羧化淀粉可以通过在碱性条件和环境温度或略微升高的温度下用过氧化氢处理水性或半干淀粉浆液/糊状物来制备。该过程产生高度羧化的淀粉或聚（羟基羧酸）。在合适的条件下，也可以选择性地将羟甲基氧化为羧基（阴离子淀粉）。氧化淀粉具有改进的生物降解性，即它比传统淀粉降解得更快。

       阴离子淀粉通常用作流变改性剂、增稠剂、絮凝剂、乳液稳定剂、施胶剂、纸张粘合剂和涂层剂，特别是用于食品。

淀粉塑料（热塑性淀粉）

       淀粉及其与脂肪族生物聚酯和 纤维素衍生物的混合物被认为是开发可持续塑料的最有希望的候选者。淀粉是完全可生物降解的、丰富的、廉价的，并且通过植物的光合作用从二氧化碳和水再生。然而，未改性淀粉基塑料的物理性能较差。例如，它们是亲水的，易溶于水，潮湿时机械性能较差，干燥时脆。此外，它们在干燥时有很强的再结晶和收缩趋势。

       已经进行了大量研究来制备具有改进性能的淀粉基薄膜、复合材料和胶水，并用于各种应用，包括汽车、建筑、包装、船舶、电子和航空航天工业。

       淀粉的脆性可以通过与各种天然增塑剂如甘油、乙二醇和山梨糖醇混合以及通过酯化或醚化来降低。不幸的是，这些共混物和改性剂的尺寸和热稳定性差，机械强度低。通过将多官能单体接枝到聚合物主链上并通过随后的交联，可以大大提高机械性能。典型的接枝和交联剂是磷酰氯、酸酐、甲基丙烯酸酯、环氧树脂、表氯醇、乙二醛和丙烯腈以及许多其他化合物。这些化学改性使淀粉不溶于水并提高其刚度和拉伸强度。然而，这些过程中的大多数都对环境不友好。环境友好的交联反应是淀粉与天然或生物基酸（如柠檬酸、琥珀酸或衣康酸）在高温下与多个羟基反应的酯化反应，因此在混合物（薄膜）的干燥阶段发生酯化. 共混物通常包含甘油或其他也与二酸反应的多元醇，即多元醇既充当扩链剂又充当增塑剂。

       另一种克服（热塑性）淀粉的低回弹性、高湿敏性和高收缩率的方法是与天然和合成聚酯混合，如聚乳酸、聚己内酯和聚羟基丁酸酯。为了提高淀粉/聚酯共混物的相容性，经常添加合适的增容剂，例如 PVA 和淀粉-g-聚合物1，这也提高了机械性能。这些方法不会损害淀粉的生物降解性，并且许多组合物是完全可堆肥的。它们还具有大大改进的抗冲击性和尺寸稳定性。然而，聚酯淀粉混合物的强度不如交联淀粉。

       粒状淀粉也被用作填料，以提高商品塑料（如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯）的生物降解性。为了提高与聚烯烃的相容性，通常对淀粉颗粒进行表面处理或化学改性以生产疏水性淀粉。

       淀粉与任何强氢键化合物完全兼容，例如聚（乙烯-共聚-乙烯醇）和/或聚（乙烯醇）。这些化合物还可用作聚酯-淀粉共混物的增容剂。典型的混合物由淀粉、PVA（或共聚物）、甘油和尿素组成。这些组合物是完全可生物降解的，并且具有介于 LDPE 和 HDPE 之间的机械性能。

       另一种方法使用烯烃和极性单体（例如（甲基）丙烯酸）的共聚物，后者用作增容剂。已经制备了高达 50% 的淀粉和聚（乙烯-共聚-丙烯酸）（EAA）的热塑性共混物。这些双官能试剂能够通过与一个以上的羟基反应来交联淀粉，从而增强颗粒。

       通常将改性和未改性淀粉与其他生物基聚合物混合以改善其性能和/或降低其成本。由这些塑料制成的薄膜通常是透明的、柔韧的，并且具有良好或可接受的物理特性。

       到 2020 年，生物塑料市场预计将超过 300 亿美元。

商业生物塑料

应用

       淀粉及其衍生物经常用作食品、化妆品和药物的添加剂，例如用作增稠剂、胶凝剂和封装剂。在造纸中，化学改性淀粉用作添加剂以增加干强度和结合颜料，在纺织品制造中，它用作上浆剂以减少织造过程中的磨损和翘曲。

       淀粉基粘合剂经常用于粘合粘合剂、墙纸、信封、瓦楞纸板、袋子、标签、层压板、烟嘴和侧缝。有时将各种淀粉衍生物添加到钻井液中以控制钻井作业中的流体损失。

       生物塑料主要用于杯、碗、瓶、餐具、蛋盒、吸管等包装。其他应用包括一次性袋子和垃圾衬垫以及农业用可堆肥薄膜。