Czy jesteś zainteresowany najnowszą technologią biodegradowalnej modyfikacji tworzyw sztucznych na bazie skrobi?
Od lat trzydziestych i czterdziestych XX wieku plastik stał się czwartym głównym nowym rodzajem materiału podstawowego po stali, drewnie i cemencie ze względu na jego zalety, takie jak niewielka waga, niski koszt i duża plastyczność. Produkty z tworzyw sztucznych ogólnego przeznaczenia są wyrzucane w dużych ilościach, a wynikająca z nich wartość GG; białe zanieczyszczenie GG; spowodował ogromną presję na środowisko ekologiczne. Jednocześnie ropa jako surowiec nieodnawialny w końcu ulegnie wyczerpaniu.
Dlatego w ostatnich latach kraje na całym świecie sukcesywnie wystawiały" plastikowe limity zamówień" zachęcanie praktyków i konsumentów do używania ekologicznych i przyjaznych dla środowiska degradowalnych tworzyw sztucznych poprzez kompleksowe zakazy, dobrowolne porozumienia i inne metody.
Rodzaje degradowalnych tworzyw sztucznych
Polikaprolakton (PCL)
Kwas polimlekowy (PLA)
Alkohol poliwinylowy (PVA), polihydroksy
Ester Alkilowy (PHA)
skrobia
Celuloza
Alginian Sodu (SA)
Chitozan (CS)
Tworzywa sztuczne na bazie białka
Skrobia to naturalny i odnawialny związek polimerowy. Ze względu na dużą dostępność, łatwą dostępność i niską cenę preferują go degradowalne tworzywa sztuczne.
Obecnie degradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi stanowią około 50% istniejących na rynku degradowalnych tworzyw sztucznych i są szeroko stosowane w foliach do pakowania żywności, rolniczych foliach do ściółkowania, spienionych plastikowych pudełkach śniadaniowych i rusztowaniach do inżynierii tkanki kostnej.
Jednak w porównaniu z tradycyjnymi tworzywami sztucznymi właściwości mechaniczne i właściwości barierowe degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi są znacznie ograniczone i nie można ich dalej promować komercyjnie. Dlatego fizyczna lub chemiczna modyfikacja skrobi jest bardzo ważna.
Sieciowanie jest jedną z głównych metod modyfikacji skrobi. Ściśle połączona trójwymiarowa struktura sieciowa utworzona przez usieciowanie zwiększa interakcje międzycząsteczkowe, uzyskując w ten sposób degradowalny materiał o dobrej odporności na ciepło, wodoodporność, wysoką wytrzymałość i elastyczność.
Struktura i właściwości skrobi
Skrobia to polimer węglowodanowy powstały w wyniku odwodnienia i polimeryzacji wielu cząsteczek glukozy.
Skrobia jest szeroko obecna w korzeniach, bulwach, owocach i liściach roślin wyższych w postaci granulek. Obecnie głównymi uprawami, które produkują skrobię, są pszenica, kukurydza i ziemniaki.
Skrobia składa się głównie z amylozy i amylopektyny:
Amyloza jest wysoce krystaliczna i może rozpuszczać się w gorącej wodzie bez tworzenia pasty;
Amylopektyna jest nierozpuszczalna w zimnej wodzie, ale gorącą wodą pęcznieje do postaci pasty.
Różne źródła skrobi mają różną zawartość składników i różne właściwości. Wszechstronne porównanie wielu właściwości, skrobia ziemniaczana ma lepszą antyretrogresję i przezroczystość oraz najlepszą odporność na pleśń, właściwości mechaniczne i wodoodporność i jest najbardziej odpowiednia do przygotowania materiałów membranowych.
(a) Amyloza (b) Amylopektyna
Porównanie składu i właściwości skrobi pochodzących z różnych źródeł
Metoda sieciowania degradowalnego tworzywa sztucznego na bazie skrobi
Sieciowanie to proces, w którym liniowe lub rozgałęzione łańcuchy polimerowe są połączone wiązaniami kowalencyjnymi w celu utworzenia sieci lub polimeru w masie. Zgodnie z różnymi metodami sieciowania, degradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi sieciowanej można podzielić na degradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi sieciowane chemicznie i degradowalne tworzywa sztuczne na bazie skrobi sieciowanej przez foto-usieciowanie.
01
Sieciowanie chemiczne
Sieciowanie chemiczne to reakcja środka sieciującego zawierającego binarne lub wielokrotne grupy funkcyjne z grupami hydroksylowymi w cząsteczkach skrobi w celu utworzenia grup, takich jak wiązania dieterowe lub grupy diestrowe, tym samym sieciując wiele cząsteczek skrobi w celu utworzenia przestrzennej sieci Kwadratowa struktura polimeru.
Powszechnie stosowanymi środkami sieciującymi są aldehyd glutarowy, epichlorohydryna (ECH), trimetafosforan sodu (STMP), kwas cytrynowy (CA) i kwas jabłkowy. Różne są również właściwości degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi przygotowanych z użyciem różnych środków sieciujących.
Kwas cytrynowy
Folia usieciowana kwasem adypinowym ma najlepszą przepuszczalność światła i właściwości barierowe. Folia usieciowana kwasem borowym ma najwyższą wytrzymałość, podczas gdy folia usieciowana przez CA ma najlepszą elastyczność; Mikrotopografia pokazuje, że warstwy usieciowane kwasem adypinowym i boraksem są lepsze niż kwas borowy. Usieciowana folia ma bardziej jednorodną strukturę i jest bardziej odpowiednia do wytwarzania warstw kompozytowych skrobia / PHA.
Skaningowa mikrografia elektronowa każdej próbki
W ostatnich latach, przy energicznej promocji koncepcji ochrony środowiska,&typu CA - zielone&- cyt. nietoksyczne środki sieciujące stają się coraz bardziej popularne wśród badaczy i stały się głównymi środkami sieciującymi do sieciowania degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi.
Degradowalne tworzywo sztuczne na bazie skrobi
Ze względu na czas dodawania środka sieciującego, sieciowanie chemiczne można podzielić na:
Sieciowanie (czyli dodanie środka sieciującego do reakcji podczas formowania polimeru)
Sieciowanie następcze (to znaczy po utworzeniu materiału następuje sieciowanie między cząsteczkami metodą zanurzania w roztworze środka sieciującego).
Jeśli nie można osiągnąć wymaganego stopnia usieciowania przez zastosowanie sieciowania, można rozważyć sieciowanie następcze. Większość reakcji sieciowania prowadzi się w ciekłej paście skrobiowej, a temperatura reakcji powinna osiągnąć temperaturę żelatynizacji skrobi.
02
Fotosieciowanie
Fotosieciowanie to metoda dodawania fotosensybilizatora do układu skrobiowego w celu rozłożenia go na wolne rodniki pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV) i wykorzystania fotosensybilizatora do polimeryzacji grup hydroksylowych w skrobi w celu usieciowania cząsteczek skrobi. .
Podczas fotosieciowania w celu przygotowania degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi, dawka promieniowania i stężenie fotosensybilizatora są najważniejszymi czynnikami wpływającymi na stopień usieciowania materiału.
W porównaniu z metodą sieciowania chemicznego, metoda fotosieciowania nie wymaga wyposażenia hydrotermalnego 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 pochodzenia biologicznego. , Przygotowanie materiałów do dostarczania leków itp.
Wpływ sieciowania na właściwości degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi
01
Wodoodporność
Wodoszczelność jest jednym z ważnych warunków testowania standardów stosowania biodegradowalnych materiałów membranowych. Jednak ze względu na naturalną hydrofilowość skrobi, materiały foliowe na bazie skrobi zwykle wykazują silniejszą hydrofilowość i wyższą przepuszczalność. Modyfikacja sieciowania sprawia, że skrobia ma ściśle połączoną trójwymiarową strukturę sieciową, sieci te mogą 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.
Folia bazowa skrobiowa
02
Zachowanie mechaniczne
W codziennej produkcji i życiu folie opakowaniowe muszą mieć pewną wytrzymałość i elastyczność, aby zachować integralność podczas przetwarzania. Sieciowanie ustanawia połączenia międzycząsteczkowe i wewnątrzcząsteczkowe, wydłuża łańcuchy molekularne skrobi i wzmacnia interakcje międzycząsteczkowe, powodując zwiększoną wytrzymałość materiału na rozciąganie i zmniejszone wydłużenie przy zerwaniu.
Ogólnie mówiąc, dodanie niewielkiej ilości środka sieciującego może spełnić wymagania dotyczące wydajności produktu. Gdy stopień usieciowania jest niski, zwiększa się długość cząsteczek skrobi dostępnych do przesuwania. Wraz z ciągłym wzrostem stopnia usieciowania wzmacnia się interakcje międzycząsteczkowe i wewnątrzcząsteczkowe, zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie, ale jednocześnie ogranicza poślizg międzycząsteczkowy, co prowadzi do zmniejszenia wydłużenia przy zerwaniu materiału i wykazuje kruchość.
Skrobia ma wyjątkowo silną hydrofilowość. Jeśli zawartość skrobi w układzie jest zbyt duża, siła międzycząsteczkowa zostanie osłabiona po wchłonięciu wody przez materiał, co znacznie zmniejsza wytrzymałość materiału na rozciąganie.
Oprócz stopnia usieciowania i zawartości skrobi, większy wpływ na właściwości mechaniczne degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi ma również wilgotność względna. Gdy wilgotność względna wynosi 40%, właściwości mechaniczne blach na bazie skrobi są najlepsze. Zbyt niska wilgotność względna może spowodować, że materiał będzie kruchy i rozpadać się na kawałki podczas rozciągania; gdy wilgotność względna jest zbyt wysoka, duża ilość cząsteczek wody dostaje się do arkusza z tworzywa sztucznego jako plastyfikator, a wytrzymałość na rozciąganie spada.
Czas i temperatura utwardzania są również ważnymi czynnikami wpływającymi na jego właściwości mechaniczne. Gdy zawartość utlenionej sacharozy wynosi 5% wag., Zawartość glicerolu 15% wag., Czas utwardzania 5 min, a temperatura utwardzania 180 ° C, właściwości mechaniczne folii skrobiowej są optymalne (wytrzymałość na rozciąganie 23 MPa, wydłużenie przy zerwaniu wynosi 60%).
Gdy czas utwardzania jest krótki, usieciowanie nie wystarcza do utworzenia sieci między cząsteczkami skrobi, a oddziaływanie międzycząsteczkowe jest słabe. Jeśli czas utwardzania będzie zbyt długi, szkielet skrobi ulegnie zniszczeniu, co doprowadzi do zmniejszenia wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia przy zerwaniu. Jednocześnie sieciowanie wymaga dostatecznie wysokiej temperatury utwardzania, aby zapewnić skuteczne usuwanie cząsteczek wody z układu reakcji sieciowania.
Surowce tworzyw sztucznych na bazie skrobi
Dodatkowa ilość plastyfikatora nie powinna być zbyt duża. Przepuszczalność filmu skrobiowego rośnie wraz ze wzrostem stężenia plastyfikatora, ale gdy jego stężenie przekroczy krytyczną granicę, nastąpi rozdzielenie faz. Ponadto niektóre środki sieciujące mogą jednocześnie działać jako środki sieciujące i plastyfikatory w materiałach foliowych na bazie skrobi.
CA ma taki dwukierunkowy efekt. Gdy zawartość CA przekracza 10% wag., Nadmiar CA działa jak plastyfikator, powodując spadek wytrzymałości na rozciąganie i wzrost wydłużenia przy zerwaniu. Wzrost zawartości CA w kompozytach PVA / skrobia z 5% do 30% nie zmniejszył znacząco wytrzymałości na rozciąganie, ale znacznie wzrosło wydłużenie przy zerwaniu. Połączony efekt sieciowania i plastyfikacji prowadzi do złożonych zmian wydajności materiałów na bazie skrobi. W przypadku tego typu środka sieciującego odpowiednia ilość dodatku może poprawić działanie degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi, a zbyt duża ilość będzie działać jako plastyfikator, co niekorzystnie wpłynie na właściwości użytkowe materiału.
03
Degradowalność
Degradowalność 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 kompostowanie lub w wodnych roztworach kultur.
Metoda zakopywania gleby wykorzystuje mikroorganizmy do erodowania zawartej w niej skrobi i wydzielania enzymów, co zmniejsza wytrzymałość materiału. Plastik i sól metalu w glebie ulegają samoutlenianiu, w wyniku czego powstają nadtlenki, które sprzyjają zrywaniu łańcuchów molekularnych polimeru i stają się substancjami niskocząsteczkowymi. , Który staje się H2O i CO2.
Degradacja kompostu
Metoda kompostowania wykorzystuje mikroorganizmy do kontrolowania konwersji degradowalnej materii organicznej w odpadach stałych w stabilną próchnicę, H2O i CO2 w warunkach tlenu.
Sieciowanie wzmacnia oddziaływanie międzycząsteczkowe i wewnątrzcząsteczkowe oraz zmniejsza szybkość degradacji materiału. W normalnych warunkach stopień degradacji degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi jest dodatnio skorelowany z zawartością skrobi i czasem zasypywania gleby, a szybkość degradacji jest dodatnio skorelowana z zawartością skrobi, wilgotnością środowiska, stopniem usieciowania i zawartością plastyfikatora.
Głębokość zakopania nie ma oczywistego wpływu na szybkość degradacji folii; współczynnik utraty wagi folii w ciągu 15 dni wynosi 48,70%, co oznacza doskonałą biodegradowalność.
Ilość CO2 uwolnionego w systemie kompostowania w glebie charakteryzuje zdolność do degradacji bioplastików z usieciowanej przez CA wysokoamylozowej skrobi jęczmiennej. Szybkość degradacji tworzyw sztucznych jest stosunkowo wysoka w ciągu 20 dni i znacznie spada po 20 dniach. Po 100 dniach stopień degradacji jest taki sam jak wskaźnik odniesienia dla gleby, a materiał jest całkowicie zdegradowany. Jednocześnie stwierdzono, że szybkość degradacji degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie sieciowanej skrobi jest znacznie wolniejsza niż w przypadku granulek skrobi.
Zmodyfikowana łuska jęczmienia zwiększa degradację folii kompozytowej usieciowanej PVA / skrobia w naturalnym środowisku glebowym. Wyniki tego badania pokazują, że współczynnik utraty wagi usieciowanej folii PVA / usieciowanej skrobi jest niższy niż w przypadku folii PVA / skrobia. Folia kompozytowa z naturalnej łuski jęczmienia / PVA / usieciowanej skrobi ma najwyższy stopień degradacji, a wskaźnik utraty masy po 120 dniach wynosi 33%, ponieważ obecność naturalnej łuski jęczmienia w materiale kompozytowym może wchłonąć więcej wody.
Metoda modyfikacji biodegradowalnego tworzywa sztucznego na bazie sieciowanej skrobi
Ze względu na zwartą trójwymiarową strukturę sieciową utworzoną przez sieciowanie, w pewnym stopniu poprawiono działanie usieciowanych, biodegradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi, ale nadal nie osiągają one standardów ogólnych tworzyw sztucznych. Dlatego konieczne jest dalsze jego modyfikowanie, w tym mieszanie z innymi materiałami polimerowymi, ulepszanie nanomateriałów, wielokrotna modyfikacja, powłoka hydrofobowa itp.
01
Naturalna modyfikacja mieszanki polimerów
Glukomannan o strukturze sieciowej może hamować osadzanie się skrobi i jest korzystny dla polepszenia kompatybilności systemu mieszania. Następnie do systemu dodaje się odpowiednią ilość PVA w celu wymieszania. PVA zapewnia folii lepszą wodoodporność i właściwości mechaniczne, ale kompatybilność systemu jest słaba.
Transglutaminazę dodano do mieszanki plastyfikowanej glicerolem skrobi sago / żelatyny rybnej i wytworzono wodoodporną i elastyczną folię na bazie skrobi przez usieciowanie enzymu grupami aminowymi w białku. WVP modyfikowanej folii maleje, wydłużenie przy zerwaniu wzrasta, a wytrzymałość na rozciąganie maleje.
Aldehyd glutarowy
Używając aldehydu glutarowego jako środka sieciującego, metodą odlewania przygotowano usieciowaną folię kompozytową ziemniak / CS o lepszej wodoodporności. Jednocześnie CS nadał folii unikalne właściwości antybakteryjne, czyniąc ją dostępną w biomedycynie czy konserwowaniu żywności. popularne.
W porównaniu z foliami na bazie czystej skrobi, właściwości folii na bazie skrobi, które są zmieszane i usieciowane z innymi biopolimerami, ulegają poprawie. Jednocześnie inne biomateriały mogą również nadać dodatkowe właściwości filmom na bazie skrobi. Ta metoda ma na celu przygotowanie nowego trendu nowych materiałów membranowych na bazie skrobi.
02
Mieszana modyfikacja biodegradowalnego poliestru
Mieszanie skrobi z degradowalnym poliestrem, z pomocą poliestru' doskonałe właściwości mechaniczne i wodoodporność, może skutecznie zrekompensować brak filmu skrobiowego pod względem wydajności. W przypadku systemów mieszania zgodność wielu substancji jest ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości mechaniczne materiałów.
Do modyfikacji skrobi stosuje się ECH i glicerynę, a następnie modyfikowaną skrobię miesza się z PLA, a folię przygotowuje się w procesie prasowania na gorąco. Grupy hydroksylowe w cząsteczkach skrobi są sieciowane przez cząsteczki ECH, tworząc grupy eterowe, zmieniając w ten sposób hydrofilowość skrobi. Modyfikacja sieciująca i uplastyczniająca skrobi poprawia jej kompatybilność z PLA i poprawia jej właściwości mechaniczne.
Gdy stosunek zawartości skrobi / PVA / CA wynosi 3: 3: 0,08, folia mieszana ma najlepszą ogólną wydajność; absorpcja wody przez folię mieszaną jest 54,31 razy większa od jej własnego ciężaru, a mechaniczna wytrzymałość na rozciąganie wynosi 46,45 MPa.
Dzięki dodatkowi PVA folia wykazuje silne działanie przeciwbakteryjne przeciwko chorobotwórczym bakteriom Listeria i Escherichia coli przenoszonym przez żywność.
Wyniki testów opakowań świeżych fig pokazują, że trójskładnikowa folia kompozytowa domieszkowana CA ma przepuszczalność pary wodnej, może skutecznie zapobiegać gniciu owoców i zamgleniu powierzchni oraz ma wysoką retencję wody i odporność na wodę.
Folia ma ogromny potencjał w zastosowaniach folii opakowaniowej przeciwmgielnej i aktywnych opakowań żywności do pakowania świeżych produktów rolnych o wysokiej przepuszczalności.
Folię kompozytową z usieciowanego CA, PVA / skrobia, którą można nakładać na opatrunki na rany, przygotowano metodą odlewania. W porównaniu z podobnymi foliami z tworzywa sztucznego do pakowania, przygotowana folia kompozytowa PVA / skrobia ma większą elastyczność, niższy moduł sprężystości, wyższą rozpuszczalność i wskaźnik pęcznienia oraz doskonałą szybkość degradacji in vitro i właściwości przeciwbakteryjne. Jest doskonałym materiałem na opatrunek na rany.
03
Modyfikacja wzmocniona nano wypełniaczem
Oprócz degradowalnego poliestru, celulozy i nanocząstek są również wypełniacze powszechnie stosowane w ostatnich latach do badania właściwości mechanicznych degradowalnych tworzyw sztucznych na bazie skrobi.
Nanowłókna celulozy (CNF) i nanokryształy celulozy (CNC) mają lepszy efekt wzmacniający na warstewce skrobi, a CNF mają lepsze działanie wzmacniające niż CNC. Wynika to głównie z faktu, że zarówno celuloza, jak i skrobia są polisacharydami, a oba mają podobną strukturę, a silne wiązania wodorowe łatwo tworzą się między grupami hydroksylowymi, co skutkuje wyjątkowo silną adhezją międzyfazową.
Nanowłókno celulozy
CNC mają morfologię przypominającą igłę o wysokiej krystaliczności; podczas gdy CNF mają strukturę sieciową o większym współczynniku kształtu, wyższym stopniu splątania ze skrobią i większymi interakcjami międzycząsteczkowymi. Ten silny interfejs Poprawia właściwości mechaniczne materiałów foliowych na bazie skrobi.
Skrobię kukurydzianą woskową zmieszano z mikro / nanocelulozą (MFC) i kompozytami na bazie skrobi usieciowanej kwasem 1,2,3,4-butanotetrakarboksylowym, wykonanymi metodą odlewania.
Folia usieciowana z zawartością MFC 15% wag. Bez użycia plastyfikatora
Oferujemy opatentowaną w pełni biodegradowalną folię i worek PVA, wszystkie produkty są wytwarzane przy użyciu sprzętu odlewniczego, różni się od tradycyjnych produktów do formowania z rozdmuchem, wszystkie produkty do formowania z rozdmuchem nie są w pełni biodegradowalne. Jesteśmy w stanie wyprodukować folie i torby PVA w pełnej przezroczystości oraz w różnych kolorach. a folia PVA jest bardziej gładka niż tradycyjne produkty do rozdmuchiwania.
Oferujemy również w pełni biodegradowalną folię z materiałów organicznych oraz torby z opatentowanym surowcem i procesem produkcji.
Aby uzyskać więcej produktów z folii PVA i toreb, odwiedź nas:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/