Tolkning av stärkelsebaserad nedbrytbar plast: tvärbindning och modifiering
Inledning: Stärkelse är en naturlig och förnybar polymerförening. På grund av dess överflöd, lättillgänglighet och låga pris används stärkelse i stor utsträckning vid forskning om nedbrytbar plast. För närvarande står stärkelsebaserad biologiskt nedbrytbar plast för cirka 50% av den befintliga kommersiella biologiskt nedbrytbara plasten, och de har använts i filmer för livsmedelsförpackningar, filmer för jordbruksmaterial, skumplastmatlådor och medicinska byggnadsvävnader för benvävnad 41. Men på grund av till stärkelsens molekylära struktur är processbarheten hos stärkelsen i sig dålig. Jämfört med traditionell plast minskar de mekaniska egenskaperna och barriäregenskaperna hos stärkelsebaserad nedbrytbar plast kraftigt och de kan inte marknadsföras ytterligare. Därför är den fysikaliska eller kemiska modifieringen av stärkelse mycket viktig. Tvärbindning är en av de viktigaste metoderna för modifiering av stärkelse. Den tätt anslutna tredimensionella nätverksstrukturen bildad av tvärbindning förbättrar den intermolekylära interaktionen, varigenom ett nedbrytbart material erhålls med god värmebeständighet, vattentålighet, hög hållfasthet och flexibilitet.
bild
Tvärbindningsmetod av stärkelsebaserad nedbrytbar plast
Tvärbindning är processen att länka linjära eller grenade polymerkedjor till en nätverkspolymer genom att bilda kovalenta bindningar. Enligt olika tvärbindningsmetoder kan tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast delas in i kemiskt tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast och fototvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast.
1
Kemisk tvärbindning
Kemisk tvärbindning är reaktionen av ett tvärbindningsmedel innehållande binära eller multipla funktionella grupper med hydroxylgrupperna på stärkelsemolekylen för att bilda grupper såsom dietherbindningar eller diestergrupper, varigenom tvärbindning av flera stärkelsemolekyler för att bilda ett rumsligt nätverk Strukturliknande polymermetod. Vanligt använda tvärbindningsmedel är glutaraldehyd, epiklorhydrin (ECH), natriumtrimetafosfat (STMP), citronsyra (CA) och äppelsyra. Egenskaperna hos stärkelsebaserad nedbrytbar plast framställd med olika tvärbindningsmedel är också olika.
Under de senaste åren, med en kraftfull marknadsföring av miljöskyddskoncept, CA-typ" grön" icke-toxiska tvärbindningsmedel har blivit mer och mer populära bland forskare och har blivit de viktigaste tvärbindningsmedlen för tvärbindning av stärkelsebaserad nedbrytbar plast. Enligt den tidpunkt då tvärbindningsmedlet tillsätts kan kemisk tvärbindning delas in i tvärbindning (det vill säga tvärbindningsmedlet tillsätts för att reagera under polymerformningsprocessen) och efter tvärbindning (det vill säga efter att materialet har bildats impregnerats av tvärbindningsmedelslösningen) Metoden orsakar tvärbindning mellan molekyler).
2
Fotokorslänkning
Fototvärbindning är en metod för att lägga till en fotosensibiliserare till stärkelsessystemet för att sönderdela den i fria radikaler under bestrålning av ultraviolett ljus (UV) och använda fotosensibiliseraren för att polymerisera hydroxylgrupperna i stärkelsen för att tvärbinda stärkelsemolekylerna. . Vid tvärbindning för framställning av stärkelsebaserad nedbrytbar plast är strålningsdosen och ljuskänslighetskoncentrationen de viktigaste faktorerna som påverkar materialets tvärbindningsgrad. Jämfört med den kemiska tvärbindningsmetoden kräver fototvärbindningsmetoden inte hydrotermisk utrustning och tvärbindningsreagens, den är säkrare och mer miljövänlig och är enkel att använda och reaktionen är lätt att kontrollera. Den kan anpassas till storskalig kontinuerlig produktion av material och är lämplig för biobaserade hydrogeler. , Beredning av läkemedelsleveransmaterial etc.
Effekten av tvärbindning på egenskaperna hos stärkelsebaserad nedbrytbar plast
1
Vattentålighet
Vattentålighet är en av de viktigaste förutsättningarna för att testa tillämpningsstandarderna för biobaserade nedbrytbara membranmaterial. På grund av stärkelsens naturliga hydrofilicitet uppvisar emellertid stärkelsebaserade filmmaterial i allmänhet starkare hydrofilicitet och högre permeabilitet. Tvärbindningsmodifiering gör att stärkelse har en tätt ansluten tredimensionell nätverksstruktur, vilket effektivt kan förhindra inträde och migration av vattenmolekyler. Vattenabsorption, svullnad och vattenångaöverföringshastighet (WVP) används ofta för att karakterisera vattenresistensen hos stärkelsebaserade material.
2
Mekaniskt beteende
Vid daglig produktion och livslängd måste förpackningsfilmmaterial ha en viss styrka och flexibilitet för att bibehålla sin integritet under bearbetningen. Tvärbindning etablerar intermolekylära och intramolekylära anslutningar, gör stärkelse molekylära kedjor längre, förbättrar intermolekylära interaktioner och resulterar i ökad draghållfasthet hos materialet och minskad töjning vid brott. Generellt sett kan tillsättning av en liten mängd tvärbindningsmedel uppfylla produktens prestandakrav. När graden av tvärbindning är låg ökar längden på stärkelsemolekyler som är tillgängliga för glidning. Med den kontinuerliga ökningen av graden av tvärbindning förbättras intermolekylära och intramolekylära interaktioner och draghållfastheten ökar, men samtidigt begränsas också den intermolekylära glidningen, vilket leder till minskning av förlängningen vid materialbrott och sprödheten. Stärkelse har stark hydrofilicitet. Om det finns för mycket stärkelse i systemet kommer den intermolekylära kraften att försvagas efter att materialet absorberat vatten, vilket kraftigt minskar materialets draghållfasthet. Förutom graden av tvärbindning och stärkelseinnehåll har RH också en större inverkan på de mekaniska egenskaperna hos stärkelsebaserad nedbrytbar plast. När RH är 40% är de mekaniska egenskaperna hos stärkelsebaserat ark bäst. För låg RH kan göra materialet sprött och gå sönder i bitar när det sträcks; när RH är för hög tränger en stor mängd vattenmolekyler in i plastarket som mjukningsmedel och draghållfastheten minskar. Härdningstiden och härdningstemperaturen är också viktiga faktorer som påverkar dess mekaniska egenskaper.
3
Nedbrytbarhet
Nedbrytbarhet är den största fördelen med stärkelsebaserade material. Den biologiska nedbrytningen av stärkelsebaserade material orsakas vanligtvis av den biologiska aktiviteten hos svampar, bakterier och andra mikroorganismer under naturliga förhållanden, såsom jord, eller under vissa specifika förhållanden, såsom komposteringsförhållanden eller i vattenhaltiga odlingslösningar. Markbegravningsmetoden använder mikroorganismer för att erodera stärkelsen i den och utsöndra enzymer, vilket minskar materialets styrka. Plasten och metallsaltet i jorden genomgår automatisk oxidation för att generera peroxider, vilket främjar brottet av polymermolekylära kedjor och blir lågmolekylära ämnen. , Som blir H2O och CO2. Komposteringsmetoden använder mikroorganismer för att kontrollera omvandlingen av nedbrytbart organiskt material i fast avfall till stabil humus, H2O och CO2 under syreförhållanden. Tvärbindning förbättrar den intermolekylära och intramolekylära interaktionskraften och minskar materialets nedbrytningshastighet. Under normala förhållanden är nedbrytningsgraden för stärkelsebaserad nedbrytbar plast positivt korrelerad med stärkelseinnehåll och jordgrävningstid, och nedbrytningshastigheten korreleras positivt med stärkelseinnehåll, luftfuktighet, tvärbindningsgrad och mjukningsmedelinnehåll.
Modifieringsmetod för tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast
På grund av den kompakta tredimensionella nätverksstrukturen som bildats genom tvärbindning har prestandan hos tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast förbättrats till en viss grad, men den uppfyller fortfarande inte standarderna för allmän plast. Därför är det nödvändigt att ytterligare modifiera det, inklusive blandning med andra polymermaterial, förbättring av nanomaterial, multipel modifiering, beläggning hydrofob beläggning, etc.
1
Naturlig polymerblandningsmodifiering
Geng Shengrong och andra använde STMP för att tvärbinda blandningssystemet av stärkelse och konjac-flygpulver och beredde en nedbrytbar blandningsfilm med god vattentålighet och mekaniska egenskaper genom gjutningsfilmformningsmetoden. Resultaten av denna studie visar att glukomannan med en nätverksstruktur kan hämma sedimentering av stärkelse och är fördelaktigt för att förbättra blandningssystemets kompatibilitet. Sedan tillsätts en lämplig mängd PVA till systemet för att blanda. PVA ger filmen bättre vattenbeständighet och mekaniska egenskaper, men systemkompatibiliteten blir dålig. Li et al. använde glutaraldehyd som tvärbindningsmedel för att framställa en tvärbunden film av potatis / CS-komposit med bättre vattenbeständighet genom gjutningsmetoden. Samtidigt gav CS filmen unika antibakteriella egenskaper, vilket gjorde det möjligt att använda den i biomedicin eller konservering av livsmedel. Fältet används ofta. Jämfört med ren stärkelsebaserade filmer förbättras egenskaperna hos stärkelsebaserade filmer som blandas och tvärbindas med andra biopolymerer. Samtidigt kan andra biomaterial också ge ytterligare egenskaper till stärkelsebaserade filmer. Denna metod är att förbereda den nya trenden med nya stärkelsebaserade membranmaterial.
2
Blandningsmodifiering av nedbrytbar polyester
Blandning av stärkelse med nedbrytbar polyester, med hjälp av polyester' s utmärkta mekaniska egenskaper och vattenbeständighet, kan effektivt kompensera för bristande prestanda hos stärkelsefilmer. För blandningssystem är kompatibiliteten för flera ämnen en viktig faktor som påverkar materialens mekaniska egenskaper. ECH och glycerin används för att modifiera stärkelsen, och sedan blandas den modifierade stärkelsen med PLA och filmen kan framställas genom varmpressningsprocessen. Hydroxylgrupperna på stärkelsemolekylerna är tvärbundna av ECH-molekyler för att bilda etergrupper, varigenom hydrofiliciteten hos stärkelse förändras. Resultaten indikerar att tvärbindning och mjukgörande modifiering av stärkelse förbättrar dess kompatibilitet med PLA och förbättrar dess mekaniska egenskaper. En ternär blandningsfilm kan framställas med olika förhållanden stärkelse / PVA / CA.
3
Nano-fyllmedel förstärkt modifiering
Förutom nedbrytbara polyestrar är cellulosa och nanopartiklar också fyllmedel som ofta har använts de senaste åren för att studera de mekaniska egenskaperna hos stärkelsebaserad nedbrytbar plast. Studier av Balakrishnan et al. har visat att cellulosananofibrer (CNF) och cellulosananokristaller (CNC) har en bättre förstärkande effekt på stärkelsemembran, och CNF har bättre förstärkande effekter än CNC. Detta beror främst på det faktum att cellulosa och stärkelse båda är polysackarider, och de två har liknande strukturer och starka vätebindningar bildas lätt mellan hydroxylgrupper, vilket resulterar i extremt stark vidhäftning i gränsytan. CNC har en nålliknande morfologi med hög kristallinitet; medan CNF har en nätverksstruktur med ett stort bildförhållande, en hög grad av intrassling med stärkelse och större interaktion mellan molekyler. Det förbättrar de mekaniska egenskaperna hos stärkelsebaserade filmmaterial.
4
Hydrofob beläggningsmodifiering
För att förbättra den stärkelsebaserade filmens vattenbeständighet kan den också ytbehandlas, såsom beläggning med en hydrofob beläggning. Blötlägg den beredda veteglutenfilmen och den skummande stärkelsefacket i triacetat-diklormetanlösningen. Den långsamma förångningen av lösningsmedlet kommer att bilda en beläggningsfilm på ytan av materialet. Triacetatstärkelsebeläggningen förbättrar materialet vattentåligt. När PLA används som råmaterial för att belägga stärkelsebaserat skum, även om PLA-beläggningen har dålig kompatibilitet med skummet, förbättrar det ändå skumets densitet, draghållfasthet och slaghållfasthet.
5
Flera kemiska modifieringar
Prestandan hos tvärbundna stärkelsebaserade filmmaterial som framställs genom omfattande användning av flera modifieringsmetoder är bättre än för en enda tvärbunden modifierad stärkelsefilm. Flera kemiska modifieringar är den vanliga trenden för att förbättra prestandan hos stärkelsebaserade nedbrytbara filmer. När den tvärbundna oxiderade stärkelsefilmen (C-OS-film) och den oxiderade tvärbundna stärkelsefilmen (O-CS-film) framställs med väteperoxid respektive borsyra, har O-CS-filmen fler fördelar på grund av den partiella nedbrytning av stärkelsemolekyler på grund av den första oxidationen. Hög hydrofilicitet gör filmen mer flexibel; C_OS-filmen har en högre grad av tvärbindning på grund av den första tvärbindningen, och filmen har bättre vattentålighet och styrka. Den hydrofoba och lipofila kompositpolyolen mjukgjorda modifierade stärkelsen framställdes genom att successivt utföra STMP-tvärbindning, ytbehandling av aluminatkopplingsmedel och mjukgörare av sammansatt mjukgörare på majsstärkelse, och sedan blanda den med PCL och kalandrera den till film, filmens hydrofobicitet förbättras kraftigt. Sukhija et al. använde STMP som tvärbindningsmedel och natriumhypoklorit som oxidant för att framställa tvärbunden oxiderad dubbelmodifierad lotusrotstärkelse, blandade den med koncentrerat vassleprotein, glycerol och grobladskal och beredd det med gjutningsmetoden. Den stärkelsebaserade filmen erhålls och filmens termiska stabilitet, mekaniska egenskaper och vattentålighet förbättras avsevärt. Flera modifieringar förbättrar inte bara materialets prestanda utan ökar också produktionskostnaden för stärkelsebaserade material. Att välja färre modifieringsmetoder för att uppnå bättre prestanda är därför fokus för framtida forskning om stärkelsebaserad nedbrytbar plast.
Den framtida utvecklingsriktningen för tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast
Användningen av tvärbunden stärkelsebaserad nedbrytbar plast är en av de viktiga metoderna för att lindra problemet med &, vit &. förorening. Men efter år av forskning och utveckling har materialet ännu inte massproducerats och använts, främst på grund av dess kostnad och prestanda. Den helt tvärbundna stärkelsebaserade nedbrytbara plasten har utmärkta nedbrytningsegenskaper, men dess mekaniska egenskaper och vattenbeständighet är svåra att nå standarderna för allmän plast. För att erhålla stärkelsebaserad fullständigt nedbrytbar plast som uppfyller kraven för användning är enkel tvärbindningsmodifiering av stärkelse långt ifrån tillräcklig. Det måste uppnås genom omfattande tillämpning av komplexa modifieringsmetoder eller blandning med polyester. De resulterande höga kostnaderna kommer oundvikligen att hindra kommersiell marknadsföring av material. För närvarande är priset på tvärbunden stärkelsebaserad, helt nedbrytbar plast som produceras på marknaden 4-10 gånger högre än för allmän plast. De används huvudsakligen vid outsourcing och förpackning av vissa avancerade kosmetika och vissa medicinska förnödenheter (såsom kirurgiska suturer och kapslar för läkemedelsfrisättning). ).
Stärkelse är emellertid en av de mest konkurrenskraftiga råvarorna för biobaserad plast och har breda användningsmöjligheter i strategier för hållbar utveckling. För närvarande är stärkelse-nedbrytbar polyesterblandningplast de mest mogna och fullständigt nedbrytbara produkterna på marknaden. I framtiden bör forskare ägna sig åt att utveckla lågkostnad och högpresterande stärkelsebaserad nedbrytbar plast. Det finns främst följande forskningsanvisningar:
1. Säkra och miljövänliga modifieringsmetoder bör användas i modifieringsprocessen och gröna och föroreningsfria tillsatser bör användas så mycket som möjligt för att underlätta nedbrytning eller kompostering.
2. För blandad stärkelsebaserad nedbrytbar plast bör mängden stärkelse som används ökas så mycket som möjligt med utgångspunkt från att uppfylla prestandakraven för att sänka materialets produktionskostnad. samtidigt bör blandningarna ha god kompatibilitet för att erhålla utmärkta mekaniska egenskaper.
3. Introducera nya material för att ge stärkelsebaserade nedbrytbara plastmultifunktionella egenskaper, såsom tillsats av kitosan, PVA, etc. för att ge stärkelsematerial antibakteriella egenskaper, tillsats av kolofonium etc. för att ge stärkelsebaserade material anti-ultravioletta egenskaper, så att bredda tillämpningen av stärkelsebaserad nedbrytbar plastmarknad.
4. Utveckla nya processer för att minska energiförbrukningen vid produktion av material, såsom användning av förbättrade gjutningsmetoder, strängsprutningsmetoder etc. i stället för gjutningsfilmmetoder för att främja kommersiell kontinuerlig massproduktion av stärkelsebaserad nedbrytbar plast .
Vi erbjuder patenterad fullständig biologiskt nedbrytbar film och PVA-påse, alla produkter är gjorda av gjutningsutrustning.Det skiljer sig från traditionella formar för formblåsning, alla formblåsprodukter är inte fullständigt biologiskt nedbrytbara. Vi kan producera pva-filmer och påsar i helt genomskinliga och olika färger. och PVA-filmen är jämnare än de traditionella formblåsprodukterna.
Vi erbjuder också organiskt material full biologiskt nedbrytbar film och påsar med patenterad råvara och produktionsprocess.
För mer PVA-film och påseprodukter, besök oss:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/