Interpretacja degradowalnych tworzyw na bazie skrobi: sieciowanie i modyfikacja
Wprowadzenie: Skrobia jest naturalnym i odnawialnym związkiem polimerowym. Ze względu na swoją obfitość, łatwą dostępność i niską cenę, skrobia jest szeroko stosowana w badaniach degradowalnych tworzyw sztucznych. Obecnie biodegradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi stanowią około 50% istniejących komercyjnych biodegradowalnych tworzyw sztucznych i są one stosowane w foliach do pakowania żywności, rolniczych foliach mulczowych, pudełkach śniadaniowych ze spienionego tworzywa sztucznego i rusztowaniach do inżynierii tkanki kostnej w medycynie 41. do struktury molekularnej skrobi, przetwarzalność samej skrobi jest słaba. W porównaniu z tradycyjnymi tworzywami sztucznymi właściwości mechaniczne i właściwości barierowe degradowalnych tworzyw na bazie skrobi są znacznie zmniejszone i nie można ich dalej promować komercyjnie. Dlatego bardzo ważna jest fizyczna lub chemiczna modyfikacja skrobi. Sieciowanie jest jedną z głównych metod modyfikacji skrobi. Ściśle połączona trójwymiarowa struktura sieciowa utworzona przez usieciowanie wzmacnia oddziaływanie międzycząsteczkowe, dzięki czemu uzyskuje się degradowalny materiał o dobrej odporności cieplnej, wodoodporności, wysokiej wytrzymałości i elastyczności.
wizerunek
Metoda sieciowania degradowalnego plastiku na bazie skrobi
Sieciowanie to proces łączenia liniowych lub rozgałęzionych łańcuchów polimerowych w usieciowany polimer poprzez tworzenie wiązań kowalencyjnych. Zgodnie z różnymi metodami sieciowania, usieciowane biodegradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi można podzielić na chemicznie usieciowane biodegradowalne tworzywa na bazie skrobi i fotosieciowane biodegradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi.
1
Sieciowanie chemiczne
Sieciowanie chemiczne jest reakcją środka sieciującego zawierającego binarne lub wiele grup funkcyjnych z grupami hydroksylowymi na cząsteczce skrobi w celu utworzenia grup, takich jak wiązania dieterowe lub grupy diestrowe, a tym samym usieciowania wielu cząsteczek skrobi w celu utworzenia sieci przestrzennej Metoda polimeropodobna. Powszechnie stosowanymi środkami sieciującymi są aldehyd glutarowy, epichlorohydryna (ECH), trimetafosforan sodu (STMP), kwas cytrynowy (CA) i kwas jabłkowy. Różne są również właściwości degradowalnych tworzyw na bazie skrobi, przygotowanych przy użyciu różnych środków sieciujących.
W ostatnich latach, wraz z energiczną promocją koncepcji ochrony środowiska, typ CA"zielony" nietoksyczne środki sieciujące stają się coraz bardziej popularne wśród badaczy i stały się głównymi środkami sieciującymi do sieciowania degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi. W zależności od czasu, w którym dodaje się środek sieciujący, sieciowanie chemiczne można podzielić na sieciowanie (to znaczy, że środek sieciujący jest dodawany w celu przereagowania podczas procesu formowania polimeru) i sieciowanie wtórne (czyli po uformowaniu materiału, impregnowanie przez roztwór środka sieciującego) Sposób powoduje sieciowanie między cząsteczkami).
2
Fotosieciowanie
Fotosieciowanie to metoda dodawania fotouczulacza do układu skrobi w celu rozłożenia go na wolne rodniki pod wpływem napromieniowania światłem ultrafioletowym (UV) i wykorzystania fotouczulacza do polimeryzacji grup hydroksylowych w skrobi w celu usieciowania cząsteczek skrobi. . Podczas fotosieciowania w celu przygotowania degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi, najważniejszymi czynnikami wpływającymi na stopień usieciowania materiału są dawka promieniowania i stężenie fotosensybilizatora. W porównaniu z metodą sieciowania chemicznego, metoda fotosieciowania nie wymaga urządzeń hydrotermalnych i odczynników sieciujących, jest bezpieczniejsza i bardziej przyjazna dla środowiska oraz jest prosta w obsłudze, a reakcja jest łatwa do kontrolowania. Może być przystosowany do ciągłej produkcji materiałów na dużą skalę i nadaje się do hydrożeli na bazie biologicznej. , Przygotowanie materiałów do dostarczania leków itp.
Wpływ sieciowania na właściwości degradowalnych tworzyw skrobiowych
1
Wodoodporność
Wodoodporność jest jednym z ważnych warunków testowania standardów stosowania biodegradowalnych materiałów membranowych. Jednakże, ze względu na naturalną hydrofilowość skrobi, materiały na folię na bazie skrobi ogólnie wykazują silniejszą hydrofilowość i wyższą przepuszczalność. Modyfikacja sieciująca sprawia, że skrobia ma ściśle połączoną trójwymiarową strukturę sieciową, która może skutecznie zapobiegać wnikaniu i migracji cząsteczek wody. Absorpcja wody, pęcznienie i współczynnik przenikania pary wodnej (WVP) są często wykorzystywane do charakteryzowania wodoodporności materiałów na bazie skrobi.
2
Zachowanie mechaniczne
W codziennej produkcji i życiu folie opakowaniowe muszą mieć pewną wytrzymałość i elastyczność, aby zachować ich integralność podczas przetwarzania. Sieciowanie tworzy połączenia międzycząsteczkowe i wewnątrzcząsteczkowe, wydłuża łańcuchy cząsteczek skrobi, wzmacnia interakcje międzycząsteczkowe i skutkuje zwiększoną wytrzymałością materiału na rozciąganie i zmniejszonym wydłużeniem przy zerwaniu. Ogólnie rzecz biorąc, dodanie niewielkiej ilości środka sieciującego może spełnić wymagania dotyczące wydajności produktu. Gdy stopień usieciowania jest niski, zwiększa się długość cząsteczek skrobi dostępnych do poślizgu. Wraz z ciągłym wzrostem stopnia usieciowania wzmacniają się oddziaływania międzycząsteczkowe i wewnątrzcząsteczkowe, zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie, ale jednocześnie ograniczany jest również poślizg międzycząsteczkowy, co prowadzi do zmniejszenia wydłużenia przy zerwaniu materiału i kruchość. Skrobia ma silną hydrofilowość. Jeśli w układzie jest za dużo skrobi, siła międzycząsteczkowa zostanie osłabiona po wchłonięciu przez materiał wody, co znacznie zmniejsza wytrzymałość materiału na rozciąganie. Oprócz stopnia usieciowania i zawartości skrobi, RH ma również większy wpływ na właściwości mechaniczne degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi. Gdy RH wynosi 40%, właściwości mechaniczne arkusza na bazie skrobi są najlepsze. Zbyt niska wilgotność względna może spowodować kruchość materiału i rozpadanie się na kawałki podczas rozciągania; gdy wilgotność względna jest zbyt wysoka, duża ilość cząsteczek wody wchodzi do arkusza z tworzywa sztucznego jako plastyfikator, a wytrzymałość na rozciąganie maleje. Ważnymi czynnikami wpływającymi na jego właściwości mechaniczne są również czas i temperatura utwardzania.
3
Degradowalność
Rozkładowalność to największa zaleta materiałów na bazie skrobi. Biodegradacja materiałów na bazie skrobi jest zwykle spowodowana biologiczną aktywnością grzybów, bakterii i innych mikroorganizmów w warunkach naturalnych, takich jak gleba, lub w określonych warunkach, takich jak warunki kompostowania lub wodne roztwory kultur. Metoda zakopywania w glebie wykorzystuje mikroorganizmy do erozji zawartej w niej skrobi i wydzielania enzymów, co zmniejsza wytrzymałość materiału. Plastik i sól metalu w glebie ulegają samoutlenieniu, tworząc nadtlenki, które sprzyjają pękaniu łańcuchów molekularnych polimerów i stają się substancjami niskocząsteczkowymi. , który staje się H2O i CO2. Metoda kompostowania wykorzystuje mikroorganizmy do kontrolowania konwersji rozkładającej się materii organicznej w odpadach stałych w stabilną próchnicę, H2O i CO2 w warunkach tlenowych. Sieciowanie zwiększa siłę oddziaływania międzycząsteczkowego i wewnątrzcząsteczkowego oraz zmniejsza szybkość degradacji materiału. W normalnych warunkach stopień degradacji degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi jest dodatnio skorelowany z zawartością skrobi i czasem zakopywania gleby, a szybkość degradacji jest dodatnio skorelowana z zawartością skrobi, wilgotnością środowiska, stopniem usieciowania i zawartością plastyfikatora.
Metoda modyfikacji degradowalnego tworzywa na bazie usieciowanej skrobi
Ze względu na zwartą trójwymiarową strukturę sieci powstałą w wyniku usieciowania, wydajność degradowalnych tworzyw usieciowanych na bazie skrobi została w pewnym stopniu poprawiona, ale nadal nie spełnia ona standardów tworzyw ogólnych. Dlatego konieczna jest jego dalsza modyfikacja, w tym mieszanie z innymi materiałami polimerowymi, ulepszanie nanomateriału, wielokrotna modyfikacja, powlekanie powłoką hydrofobową itp.
1
Modyfikacja mieszania polimerów naturalnych
Geng Shengrong i inni wykorzystali STMP do usieciowania systemu mieszanek skrobi i proszku konjacowego i przygotowali degradowalną folię mieszanki o dobrej wodoodporności i właściwościach mechanicznych metodą odlewania folii. Wyniki tych badań pokazują, że glukomannan o strukturze sieciowej może hamować osadzanie się skrobi i korzystnie wpływa na poprawę kompatybilności układu mieszanek. Następnie do systemu dodaje się odpowiednią ilość PVA w celu wymieszania. PVA zapewnia folii lepszą wodoodporność i właściwości mechaniczne, ale kompatybilność systemu staje się słaba. Li i in. zastosował aldehyd glutarowy jako środek sieciujący do przygotowania usieciowanej folii kompozytowej ziemniak/CS o lepszej wodoodporności metodą odlewania. Jednocześnie CS nadał filmowi wyjątkowe właściwości antybakteryjne, dzięki czemu można go stosować w biomedycynie lub konserwacji żywności. Pole jest szeroko stosowane. W porównaniu z czystymi foliami na bazie skrobi, właściwości folii na bazie skrobi, które są mieszane i sieciowane z innymi biopolimerami, są ulepszone. Jednocześnie inne biomateriały mogą również wnosić dodatkowe właściwości do folii na bazie skrobi. Ta metoda ma na celu przygotowanie nowego trendu nowych materiałów membranowych na bazie skrobi.
2
Modyfikacja mieszania degradowalnego poliestru
Mieszanie skrobi z degradowalnym poliestrem, przy pomocy poliestru' doskonałe właściwości mechaniczne i wodoodporność, może skutecznie zrekompensować brak wydajności folii skrobiowych. W przypadku systemów mieszających kompatybilność wielu substancji jest ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości mechaniczne materiałów. ECH i glicerynę stosuje się do modyfikacji skrobi, a następnie zmodyfikowaną skrobię miesza się z PLA, a folię można przygotować w procesie prasowania na gorąco. Grupy hydroksylowe na cząsteczkach skrobi są usieciowane przez cząsteczki ECH, tworząc grupy eterowe, zmieniając w ten sposób hydrofilowość skrobi. Wyniki wskazują, że modyfikacja sieciująca i uplastyczniająca skrobi poprawia jej kompatybilność z PLA i poprawia jej właściwości mechaniczne. Trójskładnikową folię z mieszanki można wytworzyć przy różnych stosunkach skrobia/PVA/CA.
3
Modyfikacja wzmocniona wypełniaczem nano
Oprócz degradowalnych poliestrów celuloza i nanocząstki są również wypełniaczami powszechnie stosowanymi w ostatnich latach do badania właściwości mechanicznych degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi. Badania Balakrishnana i in. wykazali, że nanowłókna celulozy (CNF) i nanokryształy celulozy (CNC) mają lepsze działanie wzmacniające na membrany skrobiowe, a CNF mają lepsze działanie wzmacniające niż CNC. Wynika to głównie z faktu, że celuloza i skrobia są polisacharydami i mają podobną strukturę, a silne wiązania wodorowe łatwo tworzą się między grupami hydroksylowymi, co skutkuje niezwykle silną adhezją międzyfazową. CNC mają morfologię podobną do igły o wysokiej krystaliczności; podczas gdy CNF mają strukturę sieciową o dużym współczynniku kształtu, wysokim stopniu splątania ze skrobią i większej interakcji między cząsteczkami. Poprawia właściwości mechaniczne materiałów foliowych na bazie skrobi.
4
Modyfikacja powłoki hydrofobowej
Aby poprawić wodoodporność folii na bazie skrobi, można ją również poddać obróbce powierzchniowej, takiej jak powlekanie powłoką hydrofobową. Namocz przygotowaną folię z glutenu pszennego i tacę na pieniącą się skrobię w roztworze trioctanu-dichlorometanu. Powolne ulatnianie się rozpuszczalnika utworzy film powłokowy na powierzchni materiału. Powłoka ze skrobi trioctanowej znacznie zwiększa wodoodporność materiału. Gdy stosuje się PLA jako surowiec do powlekania pianki opartej na skrobi, chociaż powłoka PLA ma słabą kompatybilność z pianką, nadal poprawia gęstość, wytrzymałość na rozciąganie i udarność pianki.
5
Wielokrotna modyfikacja chemiczna
Wydajność materiałów folii na bazie usieciowanej skrobi wytworzonych kompleksowo przy użyciu wielu metod modyfikacji jest lepsza niż w przypadku pojedynczej usieciowanej folii modyfikowanej skrobi. Liczne modyfikacje chemiczne to główny trend zmierzający do poprawy wydajności degradowalnych folii na bazie skrobi. Gdy usieciowana utleniona folia skrobiowa (film C-OS) i utleniona usieciowana folia skrobiowa (film O-CS) są odpowiednio przygotowane z nadtlenkiem wodoru i kwasem borowym, folia O-CS ma więcej zalet ze względu na częściowe degradacja cząsteczek skrobi w wyniku pierwszego utleniania. Wysoka hydrofilowość sprawia, że folia jest bardziej elastyczna; Folia C_OS ma wyższy stopień usieciowania dzięki pierwszemu usieciowaniu, a folia ma lepszą wodoodporność i wytrzymałość. Zmodyfikowana skrobia modyfikowana poliolem hydrofobowym i lipofilowym została przygotowana przez kolejne usieciowanie STMP, obróbkę powierzchni glinianym środkiem sprzęgającym i złożone uplastycznienie plastyfikatora na skrobi kukurydzianej, a następnie zmieszanie jej z PCL i kalandrowanie w folię, hydrofobowość folii może być znacznie ulepszone. Sukhija i in. użyli STMP jako środka sieciującego i podchlorynu sodu jako utleniacza do przygotowania usieciowanej, utlenionej podwójnie modyfikowanej skrobi z korzenia lotosu, zmieszali ją ze skoncentrowanym białkiem serwatkowym, gliceryną i łupinami babki lancetowatej i przygotowali ją metodą odlewania. Uzyskuje się folię na bazie skrobi, a stabilność termiczna, właściwości mechaniczne i wodoodporność folii ulegają znacznej poprawie. Wielokrotna modyfikacja nie tylko poprawia wydajność materiału, ale także zwiększa koszty produkcji materiałów na bazie skrobi. Dlatego w przyszłych badaniach nad degradowalnymi tworzywami sztucznymi na bazie skrobi skupimy się na wybieraniu mniejszej liczby metod modyfikacji w celu uzyskania lepszej wydajności.
Przyszły kierunek rozwoju degradowalnych tworzyw na bazie usieciowanej skrobi
Zastosowanie degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie usieciowanej skrobi jest jedną z ważnych metod łagodzenia problemu&„białego &”; skażenie. Jednak po latach badań i rozwoju materiał nie był jeszcze masowo produkowany i stosowany, głównie ze względu na jego koszt i wydajność. W pełni usieciowane, degradowalne tworzywo sztuczne na bazie skrobi ma doskonałe właściwości degradacyjne, ale jego właściwości mechaniczne i wodoodporność są trudne do osiągnięcia standardów ogólnych tworzyw sztucznych. W celu uzyskania w pełni degradowalnych tworzyw na bazie skrobi, spełniających wymagania użytkowania, prosta modyfikacja sieciująca skrobi jest dalece niewystarczająca. Należy to osiągnąć poprzez kompleksowe zastosowanie skomplikowanych metod modyfikacji lub mieszanie z poliestrem. Wynikające z tego wysokie koszty nieuchronnie utrudnią komercyjną promocję materiałów. Obecnie cena produkowanych na rynku w pełni degradowalnych tworzyw usieciowanych na bazie skrobi jest 4-10 razy wyższa od cen tworzyw ogólnego przeznaczenia. Są one wykorzystywane głównie w outsourcingu i pakowaniu niektórych wysokiej jakości kosmetyków i niektórych materiałów medycznych (takich jak szwy chirurgiczne i kapsułki uwalniające leki). ).
Skrobia jest jednak jednym z najbardziej konkurencyjnych surowców do wytwarzania biologicznych tworzyw sztucznych i ma szerokie perspektywy zastosowania w strategiach zrównoważonego rozwoju. Obecnie degradowalne przez skrobię tworzywa poliestrowe są najbardziej dojrzałymi i w pełni degradowalnymi produktami na rynku. W przyszłości naukowcy powinni poświęcić się opracowywaniu tanich i wysokowydajnych degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi. Wyróżnia się głównie następujące kierunki badawcze:
1. W procesie modyfikacji należy stosować bezpieczne i przyjazne dla środowiska metody modyfikacji, a w miarę możliwości stosować zielone i wolne od zanieczyszczeń dodatki ułatwiające ich degradację lub kompostowanie.
2. W przypadku degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie mieszanej skrobi ilość stosowanej skrobi powinna zostać zwiększona w miarę możliwości w celu spełnienia wymagań dotyczących wydajności w celu zmniejszenia kosztów produkcji materiału; jednocześnie mieszanki powinny mieć dobrą kompatybilność, aby uzyskać doskonałe właściwości mechaniczne.
3. Wprowadzenie nowych materiałów nadających wielofunkcyjne właściwości degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi, takich jak dodanie chitozanu, PVA itp., aby nadać materiałom skrobiowym właściwości antybakteryjne, dodając kalafonię itp., aby nadać materiałom na bazie skrobi właściwości anty-ultrafioletowe, aby poszerzyć zastosowanie rynku degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi.
4. Opracuj nowe procesy w celu zmniejszenia zużycia energii w produkcji materiałów, takie jak stosowanie ulepszonych metod formowania, metod wytłaczania z rozdmuchem itp. zamiast metod odlewania folii w celu promowania komercyjnej ciągłej masowej produkcji degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi .
Oferujemy opatentowaną w pełni biodegradowalną folię i worek PVA, wszystkie produkty są wytwarzane za pomocą sprzętu odlewniczego. Różni się od tradycyjnych produktów do formowania z rozdmuchem, wszystkie produkty do formowania z rozdmuchem nie są w pełni biodegradowalne. Możemy wyprodukować folie i worki pva w pełnej transparentności i różnych kolorach. a folia PVA jest bardziej gładka niż tradycyjne produkty do formowania z rozdmuchiwaniem.
Oferujemy również w pełni biodegradowalne folie i worki z materiałów organicznych z opatentowanym surowcem i procesem produkcji.
Aby uzyskać więcej produktów z folii i torebek PVA, odwiedź nas:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/