Tolkning av stivelsesbasert nedbrytbar plast: krysskobling og modifikasjon
Introduksjon: Stivelse er en naturlig og fornybar polymerforbindelse. På grunn av sin overflod, enkel tilgjengelighet og lave pris, er stivelse mye brukt i forskning på nedbrytbar plast. For tiden står stivelsesbasert biologisk nedbrytbar plast for omtrent 50% av den eksisterende kommersielle biologisk nedbrytbare plasten, og de har blitt brukt i matemballasjefilmer, landbruksmulchfilmer, skummet plastlunsjbokser og medisinske benvevsteknikk stillaser 41. På grunn av stivelsesmolekylær struktur er imidlertid stivelsens prosessbarhet dårlig. Sammenlignet med tradisjonell plast reduseres de mekaniske egenskapene og barriereegenskapene til stivelsesbasert nedbrytbar plast sterkt, og de kan ikke fremmes kommersielt. Derfor er den fysiske eller kjemiske modifikasjonen av stivelse svært viktig. Krysskobling er en av de viktigste metodene for stivelsesmodifisering. Den tett tilkoblede tredimensjonale nettverksstrukturen dannet ved krysskobling forbedrer den intermolekylære interaksjonen, og oppnår dermed et nedbrytbart materiale med god varmebestandighet, vannmotstand, høy styrke og fleksibilitet.
bilde
Krysskoblingsmetode for stivelsesbasert nedbrytbar plast
Krysskobling er prosessen med å koble lineære eller forgrenede polymerkjeder til en nettverkspolymer ved å danne kovalente bindinger. I henhold til ulike krysskoblingsmetoder kan kryssbundet stivelsesbasert nedbrytbar plast deles inn i kjemisk krysskoblet stivelsesbasert nedbrytbar plast og fotokryssbundet stivelsesbasert nedbrytbar plast.
1
Kjemisk krysskobling
Kjemisk krysskobling er reaksjonen av et krysskoblingsmiddel som inneholder binære eller flere funksjonelle grupper med hydroksylgruppene på stivelsesmolekylet for å danne grupper som dietherbindinger eller diestergrupper, og dermed krysskonde flere stivelsesmolekyler for å danne et romlig nettverk Strukturlignende polymermetode. Vanlige krysskoblingsmidler er glutaraldehyd, epihlorohydrin (ECH), natriumtrimetafosfat (STMP), sitronsyre (CA) og malinsyre. Egenskapene til stivelsesbasert nedbrytbar plast tilberedt med forskjellige krysskoblingsmidler er også forskjellige.
I de senere år, med den kraftige promoteringen av miljøvernkonsepter, har CA-type "grønne" ikke-giftige krysskoblingsmidler blitt mer og mer populære blant forskere og har blitt de viktigste krysskoblingsmidlene for krysskobling av stivelsesbasert nedbrytbar plast. I henhold til tiden da krysskoblingsmiddelet tilsettes, kan kjemisk krysskobling deles inn i krysskobling (det vil si at krysskoblingsmiddelet legges til for å reagere under polymerstøpingsprosessen) og post-crosslinking (det vil si etter at materialet er dannet, impregnert av krysskoblingsmiddelløsningen) Metoden forårsaker krysskobling mellom molekyler).
2
Photocrosslinking
Photocrosslinking er en metode for å legge til en fotosensibilisator til stivelsessystemet for å dekomponere det i frie radikaler under ultrafiolett lys (UV) bestråling, og bruk fotosensibilisatoren til å polymerisere hydroksylgruppene i stivelsen for å krysskoble stivelsesmolekylene. . Ved fotocrosslinking for å forberede stivelsesbasert nedbrytbar plast, er strålingsdosen og lyssensibiliseringskonsentrasjonen de viktigste faktorene som påvirker materialets krysskoblingsgrad. Sammenlignet med den kjemiske krysskoblingsmetoden krever ikke foto-krysskoblingsmetoden hydrotermisk utstyr og krysskoblingsreagenser, er tryggere og mer miljøvennlig, og er enkel å betjene, og reaksjonen er lett å kontrollere. Den kan tilpasses storskala kontinuerlig produksjon av materialer og er egnet for biobaserte hydrogeler. , Fremstilling av legemiddelleveringsmaterialer, etc.
Effekten av krysskobling på egenskapene til stivelsesbasert nedbrytbar plast
1
Vannmotstand
Vannmotstand er en av de viktige betingelsene for å teste applikasjonsstandardene til biobaserte nedbrytbare membranmaterialer. Men på grunn av den naturlige hydrofilisiteten av stivelse, viser stivelsesbaserte filmmaterialer generelt sterkere hydrofilisitet og høyere permeabilitet. Krysskoblingsendring gjør at stivelse har en tett tilkoblet tredimensjonal nettverksstruktur, noe som effektivt kan forhindre oppføring og migrasjon av vannmolekyler. Vannabsorpsjon, hevelse og vanndampoverføringshastighet (WVP) brukes ofte til å karakterisere vannmotstanden til stivelsesbaserte materialer.
2
Mekanisk oppførsel
I daglig produksjon og levetid må emballasjefilmmaterialer ha en viss styrke og fleksibilitet for å opprettholde sin integritet under behandlingen. Krysskobling etablerer intermolekylære og intramolekylære forbindelser, gjør stivelse molekylære kjeder lengre, forbedrer intermolekylære interaksjoner og resulterer i økt strekkfasthet av materialet og redusert forlengelse ved pause. Generelt sett kan det å legge til en liten mengde krysskoblingsmiddel oppfylle ytelseskravene til produktet. Når graden av krysskobling er lav, øker lengden på stivelsesmolekyler som er tilgjengelige for glidende. Med den kontinuerlige økningen av graden av krysskobling, forbedres de intermolekylære og intramolekylære interaksjonene, og strekkstyrken økes, men samtidig er den intermolekylære glidningen også begrenset, noe som fører til reduksjon av forlengelsen ved brudd på materialet og sprøheten. Stivelse har sterk hydrofilisitet. Hvis det er for mye stivelse i systemet, vil den intermolekylære kraften bli svekket etter at materialet absorberer vann, noe som i stor grad reduserer materialets strekkfasthet. I tillegg til graden av krysskobling og stivelsesinnhold, har RH også større innvirkning på de mekaniske egenskapene til stivelsesbasert nedbrytbar plast. Når RH er 40%, er de mekaniske egenskapene til stivelsesbasert ark de beste. For lav RH kan gjøre materialet sprøtt og bryte i stykker når det strekkes; Når RH er for høy, kommer en stor mengde vannmolekyler inn i plastarket som en mykner, og strekkstyrken reduseres. Herdetiden og herdetemperaturen er også viktige faktorer som påvirker dens mekaniske egenskaper.
3
Nedbrytbarhet
Nedbrytbarhet er den største fordelen med stivelsesbaserte materialer. Biologisk nedbrytning av stivelsesbaserte materialer er vanligvis forårsaket av de biologiske aktivitetene til sopp, bakterier og andre mikroorganismer under naturlige forhold som jord, eller under visse spesifikke forhold som komposteringsforhold eller i vandige kulturløsninger. Jordgravmetoden bruker mikroorganismer for å erodere stivelsen i den og utskille enzymer, noe som reduserer materialets styrke. Plasten og metallsaltet i jorda gjennomgår autooksidasjon for å generere peroksider, noe som fremmer brudd på polymermolekylære kjeder og blir lave molekylære stoffer. , Som blir H2O og CO2. Komposteringsmetoden bruker mikroorganismer til å kontrollere konverteringen av nedbrytbart organisk materiale i fast avfall til stabil humus, H2O og CO2 under oksygenforhold. Krysskobling forbedrer den intermolekylære og intramolekylære interaksjonskraften og reduserer materialets nedbrytningshastighet. Under normale omstendigheter er nedbrytningsgraden av stivelsesbasert nedbrytbar plast positivt korrelert med stivelsesinnhold og jordgravingstid, og nedbrytningsgraden er positivt korrelert med stivelsesinnhold, miljøfuktighet, krysskoblingsgrad og myknerinnhold.
Modifikasjonsmetode for krysskoblet stivelsesbasert nedbrytbar plast
På grunn av den kompakte tredimensjonale nettverksstrukturen dannet ved krysskobling, har ytelsen til kryssbundet stivelsesbasert nedbrytbar plast blitt forbedret til en viss grad, men den oppfyller fortsatt ikke standardene for generell plast. Derfor er det nødvendig å endre det ytterligere, inkludert blanding med andre polymermaterialer, nanomaterialeforbedring, flere modifikasjoner, belegghydrobt belegg, etc.
1
Naturlig polymer blanding modifikasjon
Geng Shengrong og andre brukte STMP til å krysskonde blandingssystemet av stivelse og konjac flypulver, og forberedte en nedbrytbar blandingsfilm med god vannmotstand og mekaniske egenskaper gjennom støpefilmformingsmetoden. Resultatene av denne studien viser at glukomannan med en nettverksstruktur kan hemme stivelsesoppgjør og er gunstig for å forbedre kompatibiliteten til blandingssystemet. Deretter legges en passende mengde PVA til systemet for å blande. PVA gir filmen bedre vannmotstand og mekaniske egenskaper, men systemkompatibiliteten blir dårlig. Li et al. brukte glutaraldehyd som krysskoblingsmiddel for å forberede en potet / CS kompositt kryssbundet film med bedre vannmotstand ved støpemetoden. Samtidig ga CS filmen unike antibakterielle egenskaper, slik at den kunne brukes i biomedisin eller matbevaring. Feltet er mye brukt. Sammenlignet med rene stivelsesbaserte filmer forbedres egenskapene til stivelsesbaserte filmer som blandes og krysskobles med andre biopolymerer. Samtidig kan andre biomaterialer også bringe noen ekstra egenskaper til stivelsesbaserte filmer. Denne metoden er å forberede Den nye trenden med nye stivelsesbaserte membranmaterialer.
2
Blandingsmodifisering av nedbrytbar polyester
Blanding av stivelse med nedbrytbar polyester, ved hjelp av polyesters utmerkede mekaniske egenskaper og vannmotstand, kan effektivt gjøre opp for mangelen på ytelse av stivelsesfilmer. For blandingssystemer er kompatibiliteten til flere stoffer en viktig faktor som påvirker materialens mekaniske egenskaper. ECH og glyserin brukes til å modifisere stivelsen, og deretter blandes den modifiserte stivelsen med PLA, og filmen kan tilberedes gjennom den varme pressprosessen. Hydroksylgruppene på stivelsesmolekylene er kryssbundet av ECH-molekyler for å danne etergrupper, og endrer dermed stivelsens hydrofilisitet. Resultatene indikerer at krysskobling og plastisering av stivelsesmodifisering forbedrer kompatibiliteten med PLA og forbedrer dens mekaniske egenskaper. En ternær blandingsfilm kan tilberedes med forskjellige forhold mellom stivelse / PVA / CA.
3
Nano fyllstoff forsterket modifikasjon
I tillegg til nedbrytbare polyestere, er cellulose og nanopartikler også fyllstoffer som vanligvis brukes de siste årene for å studere de mekaniske egenskapene til stivelsesbasert nedbrytbar plast. Studier av Balakrishnan et al. har vist at cellulose nanofibere (CNFer) og cellulose nanokrystaller (CNCer) har en bedre styrkende effekt på stivelsesmembraner, og CNF-er har bedre styrkende effekter enn CNCer. Dette skyldes hovedsakelig det faktum at cellulose og stivelse begge er polysakkarider, og de to har lignende strukturer, og sterke hydrogenbindinger dannes lett mellom hydroksylgrupper, noe som resulterer i ekstremt sterk interfacial vedheft. CNCer har en nållignende morfologi med høy krystallinitet; mens CNFer har en nettverksstruktur med et stort størrelsesforhold, en høy grad av innvikling med stivelse og større interaksjon mellom molekyler. Det forbedrer de mekaniske egenskapene til stivelsesbaserte filmmaterialer.
4
Hydrofob belegg modifikasjon
For å forbedre vannmotstanden til den stivelsesbaserte filmen, kan den også overflatebehandles, for eksempel belegg med hydrofobt belegg. Bløtlegg den tilberedte hveteglutenfilmen og skummende stivelsesbrettet i triacetat-dichloromethane-løsningen. Den langsomme volatiliseringen av løsningsmidlet vil danne en beleggfilm på overflaten av materialet. Det triacetate stivelsesbelegget forbedrer materialet vannmotstanden sterkt. Når du bruker PLA som råmateriale for å belegge stivelsesbasert skum, selv om PLA-belegget har dårlig kompatibilitet med skummet, forbedrer det fortsatt skummets tetthet, strekkfasthet og slagstyrke.
5
Flere kjemiske modifikasjoner
Utførelsen av krysskoblede stivelsesbaserte filmmaterialer utarbeidet ved å bruke flere modifikasjonsmetoder er bedre enn for en enkelt krysskoblet modifisert stivelsesfilm. Flere kjemiske modifikasjoner er den vanlige trenden for å forbedre ytelsen til stivelsesbaserte nedbrytbare filmer. Når den krysskoblede oksiderte stivelsesfilmen (C-OS-film) og den oksiderte krysskoblede stivelsesfilmen (O-CS-film) er henholdsvis tilberedt med hydrogenperoksid og borsyre, har O-CS-filmen flere fordeler på grunn av delvis nedbrytning av stivelsesmolekyler på grunn av den første oksidasjonen. Høy hydrofilisitet gjør filmen mer fleksibel; C_OS filmen har en høyere grad av krysskobling på grunn av den første krysskoblingen, og filmen har bedre vannmotstand og styrke. Den hydrofobe og lipofile komposittpolyol plastiserte modifiserte stivelse ble utarbeidet ved suksessivt å utføre STMP krysskobling, aluminatkoblingsmiddel overflatebehandling og sammensatt mykner plastisasjon på maisstivelse, og deretter blande den med PCL og kalendere den inn i film, kan filmens hydrofobiske egenskaper forbedres kraftig. Sukhija et al. brukte STMP som krysskoblingsmiddel og natriumhypokloritt som oksidant for å forberede kryssbundet oksidert dobbeltmodifisert lotusrotstivelse, blandet den med konsentrert myseprotein, glyserin og plantainskrog, og forberedte det ved støpemetoden. Den stivelsesbaserte filmen er oppnådd, og filmens termiske stabilitet, mekaniske egenskaper og vannmotstand er sterkt forbedret. Flere modifikasjoner forbedrer ikke bare materialets ytelse, men øker også produksjonskostnadene for stivelsesbaserte materialer. Derfor er det å velge færre modifikasjonsmetoder for å oppnå bedre ytelse fokus for fremtidig forskning på stivelsesbasert nedbrytbar plast.
Den fremtidige utviklingsretningen for krysskoblet stivelsesbasert nedbrytbar plast
Bruk av kryssbundet stivelsesbasert nedbrytbar plast er en av de viktige metodene for å lindre problemet med "hvit" forurensning. Men etter år med forskning og utvikling har materialet ennå ikke blitt masseprodusert og anvendt, hovedsakelig på grunn av kostnadene og ytelsen. Den fullt krysskoblede stivelsesbaserte nedbrytbare plasten har utmerkede nedbrytningsegenskaper, men dens mekaniske egenskaper og vannmotstand er vanskelig å nå standardene for generell plast. For å oppnå stivelsesbasert fullt nedbrytbar plast som oppfyller kravene til bruk, er enkel krysskoblingsmodifisering av stivelse langt fra nok. Det må oppnås gjennom omfattende anvendelse av komplekse modifikasjonsmetoder eller blanding med polyester. De resulterende høye kostnadene vil uunngåelig hindre kommersiell markedsføring av materialer. For tiden er prisen på kryssbundet stivelsesbasert fullt nedbrytbar plast produsert på markedet 4-10 ganger den for generell plast. De brukes hovedsakelig i outsourcing og pakking av noen high-end kosmetikk og noen medisinske forsyninger (for eksempel kirurgiske suturer og legemiddelfrigjøringskapsler). ).
Stivelse er imidlertid et av de mest konkurransedyktige råvarene for biobasert plast, og har brede anvendelsesutsikter i bærekraftige utviklingsstrategier. For tiden er stivelsesdegraderbar polyesterblandingsplast de mest modne og fullt nedbrytbare produktene på markedet. I fremtiden bør forskere vie seg til å utvikle rimelig og høytytende stivelsesbasert nedbrytbar plast. Det er hovedsakelig følgende forskningsretninger:
1. Sikre og miljøvennlige modifikasjonsmetoder bør brukes i modifikasjonsprosessen, og grønne og forurensningsfrie tilsetningsstoffer bør brukes så mye som mulig for å lette nedbrytning eller kompostering.
2. For blandet stivelsesbasert nedbrytbar plast, bør mengden stivelse som brukes økes så mye som mulig på premisset for å oppfylle ytelseskravene for å redusere produksjonskostnadene for materialet; Samtidig bør blandingene ha god kompatibilitet for å oppnå utmerkede mekaniske egenskaper.
3. Introduser nye materialer for å gi stivelsesbaserte nedbrytbare plast flerfunksjonelle egenskaper, for eksempel å legge til chitosan, PVA, etc. for å gi stivelsesmaterialer antibakterielle egenskaper, legge til kolofonium, etc. for å gi stivelsesbaserte materialer anti-ultrafiolette egenskaper, for å utvide anvendelsen av stivelsesbasert nedbrytbart plastmarked.
4. Utvikle nye prosesser for å redusere energiforbruket i produksjon av materialer, for eksempel bruk av forbedrede støpemetoder, ekstruderingsstøpingsmetoder, etc. i stedet for støpefilmmetoder for å fremme kommersiell kontinuerlig masseproduksjon av stivelsesbasert nedbrytbar plast.
Vi tilbyr patentert full biologisk nedbrytbar film og PVA bag, alle produkter er laget av støpeutstyr, Det er forskjellig fra tradisjonelle blow molding produkter, alle blow molding produkter er ikke full biologisk nedbrytbar. Vi kan produsere pva filmer og poser i full gjennomsiktig og ulike farger. og PVA-filmen er mer glatt enn de tradisjonelle blåsestøpeproduktene.
Vi tilbyr også organisk materiale full biologisk nedbrytbar film og poser med patentert råmateriale og produksjon Prosess.
For flere PVA film- og veskeprodukter, vennligst besøk oss:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/