Fortolkning af stivelsesbaseret nedbrydeligt plast: tværbinding og modifikation
Introduktion: Stivelse er en naturlig og vedvarende polymerforbindelse. På grund af sin overflod, nem tilgængelighed og lave pris anvendes stivelse i vid udstrækning til forskning i nedbrydelig plast. På nuværende tidspunkt tegner stivelsesbaseret biologisk nedbrydeligt plast sig for ca. 50% af den eksisterende kommercielle biologisk nedbrydelige plast, og de er blevet anvendt i folie til emballering af fødevarer, film til landbrugsbarkflis, opskummet madpakke til plastik og medicinske stilladser til benvæv 41. Imidlertid skyldes til stivelsens molekylære struktur er selve stivelsens forarbejdningsevne dårlig. Sammenlignet med traditionel plast reduceres de mekaniske egenskaber og barriereegenskaber for stivelsesbaseret nedbrydeligt plast stærkt, og de kan ikke promoveres yderligere kommercielt. Derfor er den fysiske eller kemiske modifikation af stivelse meget vigtig. Tværbinding er en af de vigtigste metoder til stivelsesmodifikation. Den tæt forbundne tredimensionelle netværksstruktur dannet ved tværbinding forbedrer den intermolekylære interaktion og derved opnår et nedbrydeligt materiale med god varmebestandighed, vandmodstand, høj styrke og fleksibilitet.
billede
Tværbindingsmetode af stivelsesbaseret nedbrydeligt plast
Tværbinding er processen med at forbinde lineære eller forgrenede polymerkæder til en netværkspolymer ved at danne kovalente bindinger. Ifølge forskellige tværbindingsmetoder kan tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast opdeles i kemisk tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast og fototværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast.
1
Kemisk tværbinding
Kemisk tværbinding er reaktionen af et tværbindingsmiddel indeholdende binære eller multiple funktionelle grupper med hydroxylgrupperne på stivelsesmolekylet for at danne grupper såsom dietherbindinger eller diestergrupper, hvorved tværbinding af flere stivelsesmolekyler til dannelse af et rumligt netværk Strukturlignende polymermetode. Almindeligt anvendte tværbindingsmidler er glutaraldehyd, epichlorhydrin (ECH), natriumtrimetaphosphat (STMP), citronsyre (CA) og æblesyre. Egenskaberne af stivelsesbaseret nedbrydeligt plast fremstillet med forskellige tværbindingsmidler er også forskellige.
I de senere år med den kraftige markedsføring af miljøbeskyttelseskoncepter, CA-type" grøn" ikke-toksiske tværbindingsmidler er blevet mere og mere populære blandt forskere og er blevet de vigtigste tværbindingsmidler til tværbinding af stivelsesbaseret nedbrydeligt plast. I henhold til det tidspunkt, hvor tværbindingsmidlet tilsættes, kan kemisk tværbinding opdeles i tværbinding (det vil sige tværbindingsmidlet tilsættes for at reagere under polymerstøbningsprocessen) og efter tværbinding (dvs. efter at materialet er dannet, imprægneret af tværbindingsmiddelopløsningen) Metoden forårsager tværbinding mellem molekyler).
2
Fotokrydsbinding
Fototværbinding er en metode til at tilføje en fotosensibilisator til stivelsessystemet for at nedbryde det til frie radikaler under ultraviolet lys (UV) bestråling, og brug fotosensibilisatoren til at polymerisere hydroxylgrupperne i stivelsen til at tværbinde stivelsesmolekylerne. . Ved fotokrydsbinding for at fremstille stivelsesbaseret nedbrydeligt plast er strålingsdosis og lysfølsomhedskoncentration de vigtigste faktorer, der påvirker materialets tværbindingsgrad. Sammenlignet med den kemiske tværbindingsmetode kræver fototværbindingsmetoden ikke hydrotermisk udstyr og tværbindingsreagenser, det er mere sikkert og mere miljøvenligt og er let at betjene, og reaktionen er let at kontrollere. Den kan tilpasses til kontinuerlig kontinuerlig produktion af materialer og er velegnet til biobaserede hydrogeler. , Fremstilling af lægemiddelafgivelsesmaterialer osv.
Virkningen af tværbinding på egenskaberne af stivelsesbaseret nedbrydelig plast
1
Vandafvisende
Vandmodstand er en af de vigtige betingelser for at teste anvendelsesstandarderne for biobaserede nedbrydelige membranmaterialer. På grund af stivelsens naturlige hydrofilicitet udviser stivelsesbaserede filmmaterialer imidlertid generelt stærkere hydrofilicitet og højere permeabilitet. Tværbindingsændring får stivelse til at have en tæt forbundet tredimensionel netværksstruktur, som effektivt kan forhindre indtrængen og vandringen af vandmolekyler. Vandabsorption, hævelse og vanddamptransmissionshastighed (WVP) bruges ofte til at karakterisere vandmodstanden i stivelsesbaserede materialer.
2
Mekanisk opførsel
I den daglige produktion og levetid skal emballagematerialer have en vis styrke og fleksibilitet for at opretholde deres integritet under behandlingen. Tværbinding etablerer intermolekylære og intramolekylære forbindelser, gør stivelsesmolekylære kæder længere, forbedrer intermolekylære interaktioner og resulterer i øget trækstyrke for materialet og nedsat brudforlængelse. Generelt kan tilføjelse af en lille mængde tværbindingsmiddel opfylde produktets ydelseskrav. Når graden af tværbinding er lav, øges længden af stivelsesmolekyler, der er tilgængelige til glidning. Med den kontinuerlige forøgelse af graden af tværbinding forbedres de intermolekylære og intramolekylære interaktioner, og trækstyrken øges, men på samme tid er den intermolekylære glidning også begrænset, hvilket fører til fald i forlængelsen ved materialets brud og skørheden. Stivelse har stærk hydrofilicitet. Hvis der er for meget stivelse i systemet, vil den intermolekylære kraft blive svækket, når materialet absorberer vand, hvilket i høj grad reducerer materialets trækstyrke. Ud over graden af tværbinding og stivelsesindhold har RH også en større indvirkning på de mekaniske egenskaber ved stivelsesbaseret nedbrydeligt plast. Når relativ luftfugtighed er 40%, er de stivelsesbaserede arks mekaniske egenskaber de bedste. For lav RH kan gøre materialet sprødt og knække i stykker, når det strækkes; når RF er for høj, kommer en stor mængde vandmolekyler ind i plastfolien som blødgøringsmiddel, og trækstyrken falder. Hærdetiden og hærdetemperaturen er også vigtige faktorer, der påvirker dens mekaniske egenskaber.
3
Nedbrydelighed
Nedbrydelighed er den største fordel ved stivelsesbaserede materialer. Den biologiske nedbrydning af stivelsesbaserede materialer er normalt forårsaget af de biologiske aktiviteter af svampe, bakterier og andre mikroorganismer under naturlige forhold såsom jord eller under visse specifikke betingelser såsom komposteringsbetingelser eller i vandige kulturopløsninger. Jordbegravelsesmetoden bruger mikroorganismer til at nedbryde stivelsen i den og udskille enzymer, hvilket reducerer materialets styrke. Plasten og metalsaltet i jorden gennemgår autooxidation for at generere peroxider, som fremmer bruddet på polymere molekylære kæder og bliver stoffer med lav molekylvægt. , Som bliver H2O og CO2. Komposteringsmetoden bruger mikroorganismer til at kontrollere omdannelsen af nedbrydeligt organisk stof i fast affald til stabil humus, H2O og CO2 under iltforhold. Tværbinding forbedrer den intermolekylære og intramolekylære interaktionskraft og reducerer materialets nedbrydningshastighed. Under normale omstændigheder er nedbrydningsgraden af stivelsesbaseret nedbrydelig plast korreleret positivt med stivelsesindhold og nedgravningstid, og nedbrydningshastigheden er positivt korreleret med stivelsesindhold, miljøfugtighed, tværbindingsgrad og blødgøringsindhold.
Modifikationsmetode for tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast
På grund af den kompakte tredimensionelle netværksstruktur dannet ved tværbinding er ydeevnen for tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast til en vis grad blevet forbedret, men det opfylder stadig ikke standarderne for almindelig plast. Derfor er det nødvendigt at modificere det yderligere, herunder blanding med andre polymermaterialer, nano-materialeforbedring, multipel modifikation, coating hydrofob coating osv.
1
Ændring af naturlig polymerblanding
Geng Shengrong og andre brugte STMP til at tværbinde blandingssystemet af stivelse og konjac-flyvepulver og forberedte en nedbrydelig blandingsfilm med god vandmodstand og mekaniske egenskaber gennem støbefilmdannelsesmetoden. Resultaterne af denne undersøgelse viser, at glucomannan med en netværksstruktur kan hæmme bundfældning af stivelse og er gavnlig for at forbedre blandingssystemets kompatibilitet. Derefter tilsættes en passende mængde PVA til systemet for at blande. PVA giver filmen bedre vandmodstand og mekaniske egenskaber, men systemkompatibiliteten bliver dårlig. Li et al. brugt glutaraldehyd som tværbindingsmiddel til at fremstille en kartoffel / CS komposit tværbundet film med bedre vandmodstand ved støbningsmetoden. Samtidig gav CS filmen unikke antibakterielle egenskaber, så den kunne bruges i biomedicin eller konservering af fødevarer. Marken er meget udbredt. Sammenlignet med rene stivelsesbaserede film forbedres egenskaberne af stivelsesbaserede film, der blandes og tværbindes med andre biopolymerer. Samtidig kan andre biomaterialer også bringe nogle yderligere egenskaber til stivelsesbaserede film. Denne metode er at forberede den nye trend med nye stivelsesbaserede membranmaterialer.
2
Blanding modifikation af nedbrydeligt polyester
Blanding af stivelse med nedbrydelig polyester ved hjælp af polyester' s fremragende mekaniske egenskaber og vandmodstand kan effektivt kompensere for manglende ydeevne for stivelsesfilm. For blandingssystemer er kompatibiliteten af flere stoffer en vigtig faktor, der påvirker materialernes mekaniske egenskaber. ECH og glycerin anvendes til at modificere stivelsen, og derefter blandes den modificerede stivelse med PLA, og filmen kan fremstilles ved varmpressningsprocessen. Hydroxylgrupperne på stivelsesmolekylerne er tværbundet af ECH-molekyler til dannelse af ethergrupper, hvorved stivelsens hydrofilicitet ændres. Resultaterne indikerer, at tværbinding og blødgøring af stivelse forbedrer dets kompatibilitet med PLA og forbedrer dens mekaniske egenskaber. En ternær blandingsfilm kan fremstilles med forskellige forhold mellem stivelse / PVA / CA.
3
Nano fyldstof forstærket modifikation
Ud over nedbrydelige polyestere er cellulose og nanopartikler også fyldstoffer, der ofte er brugt i de senere år til at undersøge de mekaniske egenskaber ved stivelsesbaseret nedbrydeligt plast. Undersøgelser af Balakrishnan et al. har vist, at celluloseananofibre (CNF'er) og cellulosenanokrystaller (CNC'er) har en bedre forstærkende virkning på stivelsesmembraner, og CNF'er har bedre forstærkningseffekter end CNC'er. Dette skyldes hovedsageligt, at cellulose og stivelse begge er polysaccharider, og de to har lignende strukturer, og stærke hydrogenbindinger dannes let mellem hydroxylgrupper, hvilket resulterer i ekstremt stærk grænsefladeadhæsion. CNC'er har en nålelignende morfologi med høj krystallinitet; mens CNF'er har en netværksstruktur med et stort billedformat, en høj grad af sammenfiltring med stivelse og større interaktion mellem molekyler. Det forbedrer de mekaniske egenskaber ved stivelsesbaserede filmmaterialer.
4
Hydrofob belægningsmodifikation
For at forbedre den stivelsesbaserede foliers vandmodstand kan den også overfladebehandles, såsom belægning med en hydrofob belægning. Sug den tilberedte hvedeglutenfilm og skummende stivelsesbakke i blød i triacetat-dichlormethanopløsningen. Den langsomme fordampning af opløsningsmidlet vil danne en belægningsfilm på overfladen af materialet. Triacetatstivelsesbelægningen forbedrer materialet vandtæt. Når man bruger PLA som råmateriale til at belægge stivelsesbaseret skum, skønt PLA-belægningen har dårlig kompatibilitet med skummet, forbedrer den stadig densiteten, trækstyrken og slagstyrken af skummet.
5
Flere kemiske modifikationer
Ydelsen af tværbundne stivelsesbaserede filmmaterialer fremstillet ved omfattende anvendelse af flere modifikationsmetoder er bedre end en enkelt tværbundet modificeret stivelsesfilm. Flere kemiske modifikationer er den almindelige tendens til at forbedre ydeevnen for stivelsesbaserede nedbrydelige film. Når den tværbundne oxiderede stivelsesfilm (C-OS-film) og den oxiderede tværbundne stivelsesfilm (O-CS-film) fremstilles henholdsvis med hydrogenperoxid og borsyre, har O-CS-filmen flere fordele på grund af den delvise nedbrydning af stivelsesmolekyler på grund af den første oxidation. Høj hydrofilicitet gør filmen mere fleksibel; C_OS-film har en højere grad af tværbinding på grund af den første tværbinding, og filmen har bedre vandmodstand og styrke. Den hydrofobe og lipofile sammensatte polyol blødgjorte modificerede stivelse blev fremstillet ved successivt at udføre STMP-tværbinding, aluminatkoblingsmiddeloverfladebehandling og sammensat blødgøringsmiddel blødgøring på majsstivelse og derefter blande det med PCL og kalandere det til film, filmens hydrofobe egenskaber kan forbedres kraftigt. Sukhija et al. brugte STMP som tværbindingsmiddel og natriumhypochlorit som oxidant til fremstilling af tværbundet oxideret dobbeltmodificeret lotusrodstivelse, blandede det med koncentreret valleprotein, glycerol og plantainskrog og forberedte det ved støbningsmetoden. Den stivelsesbaserede film opnås, og filmens termiske stabilitet, mekaniske egenskaber og vandmodstand forbedres betydeligt. Flere ændringer forbedrer ikke kun materialets ydeevne, men øger også produktionsomkostningerne for stivelsesbaserede materialer. Derfor er valg af færre modifikationsmetoder for at opnå bedre ydeevne fokus for fremtidig forskning på stivelsesbaseret nedbrydeligt plast.
Den fremtidige udviklingsretning for tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast
Anvendelsen af tværbundet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast er en af de vigtige metoder til at afhjælpe problemet med" hvid" forurening. Efter mange års forskning og udvikling er materialet imidlertid endnu ikke masseproduceret og anvendt, hovedsageligt på grund af dets omkostninger og ydeevne. Den fuldt tværbundne stivelsesbaserede nedbrydelige plast har fremragende nedbrydningsegenskaber, men dens mekaniske egenskaber og vandbestandighed er vanskelige at nå standarderne for almindelig plast. For at opnå stivelsesbaseret fuldstændigt nedbrydeligt plast, der opfylder kravene til brug, er simpel tværbinding modifikation af stivelse langt fra nok. Det skal opnås ved omfattende anvendelse af komplekse modifikationsmetoder eller blanding med polyester. De resulterende høje omkostninger vil uundgåeligt hindre den kommercielle markedsføring af materialer. På nuværende tidspunkt er prisen på tværbundet stivelsesbaseret, fuldt nedbrydeligt plast, der produceres på markedet, 4-10 gange prisen på almindelig plast. De bruges hovedsageligt til outsourcing og emballering af nogle avancerede kosmetik og nogle medicinske forsyninger (såsom kirurgiske suturer og kapsler til frigivelse af lægemidler). ).
Stivelse er dog en af de mest konkurrencedygtige råmaterialer til biobaseret plast og har brede anvendelsesmuligheder i strategier for bæredygtig udvikling. På nuværende tidspunkt er stivelsesnedbrydelige polyesterblandingsplastik de mest modne og fuldstændigt nedbrydelige produkter på markedet. I fremtiden skal forskere afsætte sig til at udvikle billig og højtydende stivelsesbaseret nedbrydelig plast. Der er hovedsagelig følgende forskningsretninger:
1. Der skal anvendes sikre og miljøvenlige modifikationsmetoder i modificeringsprocessen, og grønne og forureningsfri tilsætningsstoffer bør bruges så meget som muligt for at lette nedbrydning eller kompostering heraf.
2. For blandet stivelsesbaseret nedbrydeligt plast bør mængden af stivelse, der anvendes, øges så meget som muligt med udgangspunkt i at opfylde præstationskravene for at reducere materialets produktionsomkostninger; på samme tid skal blandingerne have god kompatibilitet for at opnå fremragende mekaniske egenskaber.
3. Indfør nye materialer for at give stivelsesbaserede nedbrydelige plastmultifunktionelle egenskaber, såsom tilsætning af chitosan, PVA osv. For at give stivelsesmaterialer antibakterielle egenskaber, tilsætning af kolofonium osv. For at give stivelsesbaserede materialer anti-ultraviolette egenskaber for at udvide anvendelsen af stivelsesbaseret nedbrydeligt plastmarked.
4. Udvikle nye processer for at reducere energiforbruget ved produktion af materialer, såsom brugen af forbedrede støbemetoder, ekstruderingsblæsestøbemetoder osv. I stedet for støbningsfilmmetoder til at fremme den kommercielle kontinuerlige masseproduktion af stivelsesbaseret nedbrydeligt plast .
Vi tilbyder patenteret fuld biologisk nedbrydelig film og PVA-taske, alle produkter er lavet af støbeudstyr, det er forskelligt fra traditionelle blæsestøbningsprodukter, alle blæsestøbeprodukter er ikke fuldt biologisk nedbrydelige. Vi kan producere pva film og poser i fuld gennemsigtig og forskellige farver. og PVA-filmen er mere glat end de traditionelle blæsestøbeprodukter.
Vi tilbyder også organisk materiale fuld bionedbrydelig film og poser med patenteret råmateriale og produktionsproces.
For flere PVA film- og poseprodukter, besøg os:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/