Bạn có háo hức với công nghệ biến tính nhựa phân hủy sinh học dựa trên tinh bột mới nhất không?
Kể từ những năm 1930 và 1940, nhựa đã trở thành loại vật liệu cơ bản mới thứ tư sau thép, gỗ và xi măng do ưu điểm của nó là trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ và độ dẻo cao. Các sản phẩm nhựa thông thường bị loại bỏ với số lượng lớn và dẫn đến" ô nhiễm trắng" đã gây ra những áp lực to lớn đối với môi trường sinh thái. Đồng thời, dầu mỏ là nguồn tài nguyên không thể tái tạo cuối cùng sẽ cạn kiệt.
Vì vậy, trong những năm gần đây, các nước trên thế giới đã liên tiếp ban hành lệnh" lệnh hạn chế nhựa" khuyến khích các nhà thực hành và người tiêu dùng sử dụng nhựa phân hủy xanh và thân thiện với môi trường thông qua các lệnh cấm toàn diện, các thỏa thuận tự nguyện và các phương pháp khác.
Các loại nhựa phân hủy
Polycaprolactone (PCL)
Axit polylactic (PLA)
Cồn polyvinyl (PVA), polyhydroxy
Alkyl Ester (PHA)
tinh bột
Xenlulo
Natri Alginate (SA)
Chitosan (CS)
Chất dẻo sinh học dựa trên protein
Tinh bột là một hợp chất polyme tự nhiên và có thể tái tạo. Vì sự phong phú, dễ sử dụng và giá thành rẻ, nó được ưa chuộng bởi chất dẻo dễ phân hủy.
Hiện tại, nhựa phân hủy từ tinh bột chiếm khoảng 50% lượng nhựa phân hủy thương mại hiện có và được sử dụng rộng rãi trong màng bao gói thực phẩm, màng phủ nông nghiệp, hộp cơm bằng nhựa xốp và giàn giáo kỹ thuật mô xương y tế.
Tuy nhiên, so với chất dẻo truyền thống, các đặc tính cơ học và tính chất ngăn cản của chất dẻo phân hủy từ tinh bột bị giảm đi rất nhiều và chúng không thể được quảng bá thương mại hơn nữa. Do đó, quá trình biến đổi hóa lý của tinh bột là rất quan trọng.
Liên kết ngang là một trong những phương pháp biến tính tinh bột chính. Cấu trúc mạng ba chiều liên kết chặt chẽ được hình thành bằng cách liên kết ngang giúp tăng cường tương tác giữa các phân tử, nhờ đó thu được vật liệu phân hủy có khả năng chịu nhiệt tốt, chịu nước, độ bền cao và tính linh hoạt.
Cấu trúc và tính chất của tinh bột
Tinh bột là một loại cacbohydrat polyme được hình thành bằng cách khử nước và trùng hợp nhiều phân tử glucoza.
Tinh bột có nhiều trong rễ, củ, quả và lá của thực vật bậc cao ở dạng hạt. Hiện nay, cây trồng chính sản xuất tinh bột là lúa mì, ngô và khoai tây.
Tinh bột chủ yếu bao gồm amyloza và amylopectin:
Amylose có tính kết tinh cao và có thể hòa tan trong nước nóng mà không trở thành dạng sệt;
Amylopectin không hòa tan trong nước lạnh, nhưng nở ra thành bột nhão khi gặp nước nóng.
Các nguồn tinh bột khác nhau có hàm lượng thành phần khác nhau và tính chất khác nhau. So sánh toàn diện về nhiều đặc tính, tinh bột khoai tây có khả năng chống thấm ngược và trong suốt tốt hơn, đồng thời chống nấm mốc, tính chất cơ học và khả năng chống thấm nước tốt nhất, phù hợp nhất cho việc chuẩn bị vật liệu màng.
(a) Amyloza (b) Amylopectin
So sánh thành phần và tính chất của tinh bột từ các nguồn khác nhau
Phương pháp liên kết ngang của nhựa phân hủy dựa trên tinh bột
Liên kết ngang là một quá trình trong đó các chuỗi polyme mạch thẳng hoặc mạch nhánh được nối với nhau bằng các liên kết cộng hóa trị để tạo thành một mạng lưới hoặc polyme khối. Theo các phương pháp liên kết ngang khác nhau, nhựa phân hủy dựa trên tinh bột có liên kết chéo có thể được chia thành nhựa phân hủy dựa trên tinh bột liên kết chéo về mặt hóa học và nhựa phân hủy dựa trên tinh bột liên kết chéo quang.
01
Liên kết chéo hóa học
Liên kết ngang hóa học là phản ứng của chất liên kết ngang chứa nhóm nhị phân hoặc nhiều nhóm chức với nhóm hydroxyl trên phân tử tinh bột để tạo thành các nhóm như liên kết ăn kiêng hoặc nhóm diester, do đó liên kết ngang nhiều phân tử tinh bột để tạo thành mạng lưới không gian. Cấu trúc vuông của polyme.
Các chất liên kết chéo thường được sử dụng là glutaraldehyde, epichlorohydrin (ECH), natri trimetaphosphat (STMP), axit xitric (CA) và axit malic. Các đặc tính của nhựa phân hủy dựa trên tinh bột được điều chế bởi các chất tạo liên kết chéo khác nhau cũng khác nhau.
Axit citric
Màng liên kết ngang của axit adipic có đặc tính cản và truyền ánh sáng tốt nhất. Màng liên kết ngang axit boric có độ bền cao nhất, trong khi màng liên kết ngang CA có độ mềm dẻo tốt nhất; địa hình vi mô cho thấy màng liên kết ngang của axit adipic và borax tốt hơn so với axit boric Màng liên kết ngang có cấu trúc đồng đều hơn và phù hợp hơn để chế tạo màng phức hợp tinh bột / PHA.
Quét ảnh hiển vi điện tử của từng mẫu
Trong những năm gần đây, với sự thúc đẩy mạnh mẽ các khái niệm bảo vệ môi trường,&loại CA,&xanh; các tác nhân liên kết chéo không độc hại ngày càng trở nên phổ biến hơn trong giới nghiên cứu và trở thành tác nhân liên kết chéo chính để liên kết chéo với chất dẻo phân hủy từ tinh bột.
Nhựa phân hủy dựa trên tinh bột
Theo thời gian thêm chất liên kết chéo, liên kết chéo hóa học có thể được chia thành:
Liên kết ngang (nghĩa là thêm chất liên kết ngang để phản ứng trong quá trình đúc polyme)
Hậu liên kết ngang (nghĩa là sau khi vật liệu được hình thành, liên kết ngang xảy ra giữa các phân tử thông qua phương pháp nhúng dung dịch tác nhân liên kết ngang).
Nếu không thể đạt được mức độ liên kết ngang cần thiết bằng cách sử dụng liên kết chéo, thì có thể xem xét sau liên kết chéo. Hầu hết các phản ứng liên kết ngang được thực hiện trong chất lỏng hồ tinh bột, và nhiệt độ phản ứng phải đạt đến nhiệt độ hồ hóa của tinh bột.
02
Liên kết quang
Photocrosslinking là một phương pháp thêm chất nhạy quang vào hệ thống tinh bột để phân hủy nó thành các gốc tự do dưới sự chiếu xạ của tia cực tím (UV), và sử dụng chất cảm quang để trùng hợp các nhóm hydroxyl trong tinh bột để liên kết chéo với các phân tử tinh bột. .
Khi liên kết quang để chuẩn bị chất dẻo phân hủy từ tinh bột, liều bức xạ và nồng độ chất cảm quang là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mức độ liên kết chéo của vật liệu.
So với phương pháp liên kết ngang hóa học, phương pháp liên kết ngang quang học không cần thiết bị thủy nhiệt và thuốc thử liên kết ngang, an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn, vận hành đơn giản và phản ứng dễ kiểm soát. Nó có thể được điều chỉnh để sản xuất liên tục quy mô lớn và thích hợp cho hydrogel dựa trên sinh học. , Chuẩn bị vật liệu phân phối thuốc, v.v.
Ảnh hưởng của liên kết ngang đối với các đặc tính của chất dẻo phân hủy từ tinh bột
01
Không thấm nước
Khả năng chịu nước là một trong những điều kiện quan trọng để thử nghiệm các tiêu chuẩn ứng dụng của vật liệu màng phân hủy sinh học. Tuy nhiên, do tính hút nước tự nhiên của tinh bột, vật liệu màng làm từ tinh bột thường thể hiện tính ưa nước mạnh hơn và tính thấm cao hơn. Sự biến đổi liên kết ngang làm cho tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều liên kết chặt chẽ, những mạng lưới này có thể ngăn chặn sự xâm nhập và di chuyển của các phân tử nước một cách hiệu quả. Độ hút nước, độ trương nở và tốc độ truyền hơi nước (WVP) thường được sử dụng để đặc trưng cho khả năng chịu nước của các vật liệu làm từ tinh bột.
Màng cơ bản tinh bột
02
Hành vi cơ học
Trong sản xuất và đời sống hàng ngày, vật liệu màng bao bì cần có độ bền và độ mềm dẻo nhất định để giữ được độ nguyên vẹn trong quá trình gia công. Liên kết ngang thiết lập các kết nối giữa các phân tử và nội phân tử, làm cho chuỗi phân tử tinh bột dài hơn và tăng cường tương tác giữa các phân tử, dẫn đến tăng độ bền kéo của vật liệu và giảm độ giãn dài khi đứt.
Nói chung, thêm một lượng nhỏ chất liên kết chéo có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất của sản phẩm. Khi mức độ liên kết ngang thấp, chiều dài của các phân tử tinh bột có thể trượt tăng lên. Với sự gia tăng liên tục của mức độ liên kết chéo, tương tác giữa các phân tử và nội phân tử được tăng cường, và độ bền kéo được tăng lên, nhưng đồng thời sự trượt giữa các phân tử cũng bị hạn chế, dẫn đến giảm độ giãn dài khi đứt của vật liệu. và cho thấy độ giòn.
Tinh bột có tính hút nước cực kỳ mạnh. Nếu hàm lượng tinh bột trong hệ quá nhiều, lực liên phân tử sẽ bị yếu đi sau khi vật liệu hấp thụ nước, làm giảm đáng kể độ bền kéo của vật liệu.
Ngoài mức độ liên kết chéo và hàm lượng tinh bột, độ ẩm tương đối cũng có tác động lớn hơn đến các tính chất cơ học của nhựa phân hủy từ tinh bột. Khi độ ẩm tương đối là 40% thì cơ tính của tấm làm từ tinh bột là tốt nhất. Độ ẩm tương đối quá thấp có thể làm cho vật liệu giòn và vỡ thành nhiều mảnh khi kéo căng; Khi độ ẩm tương đối quá cao, một lượng lớn các phân tử nước xâm nhập vào tấm nhựa như một chất hóa dẻo, và độ bền kéo giảm.
Thời gian đóng rắn và nhiệt độ đóng rắn cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của nó. Khi hàm lượng sacaroza bị oxy hóa là 5wt%, hàm lượng glycerol là 15wt%, thời gian đóng rắn là 5 phút, và nhiệt độ đóng rắn là 180 ° C, các tính chất cơ học của màng tinh bột là tối ưu (độ bền kéo là 23MPa, độ giãn dài khi đứt là 60%).
Khi thời gian đóng rắn ngắn, liên kết ngang không đủ để tạo thành mạng lưới giữa các phân tử tinh bột, và tương tác giữa các phân tử yếu. Nếu thời gian đóng rắn quá lâu, khung xương tinh bột sẽ bị phá hủy, dẫn đến giảm độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt. Đồng thời, liên kết chéo yêu cầu nhiệt độ đóng rắn đủ cao để đảm bảo loại bỏ hiệu quả các phân tử nước khỏi hệ thống phản ứng liên kết chéo.
Nguyên liệu nhựa gốc tinh bột
Lượng chất làm dẻo bổ sung không nên quá nhiều. Tính thấm của màng tinh bột tăng khi nồng độ chất hóa dẻo tăng, nhưng khi nồng độ của nó vượt quá giới hạn tới hạn thì sẽ xảy ra hiện tượng tách pha. Ngoài ra, một số chất liên kết ngang có thể đồng thời hoạt động như chất liên kết ngang và chất làm dẻo trong vật liệu màng làm từ tinh bột.
CA có tác dụng hai chiều như vậy. Khi hàm lượng CA vượt quá 10wt%, CA dư thừa hoạt động như một chất hóa dẻo, dẫn đến giảm độ bền kéo và tăng độ giãn dài khi đứt. Việc tăng hàm lượng CA trong vật liệu tổng hợp PVA / tinh bột từ 5wt% lên 30wt% không làm giảm đáng kể độ bền kéo, nhưng độ giãn dài khi đứt tăng lên đáng kể. Tác động tổng hợp của liên kết ngang và hóa dẻo dẫn đến những thay đổi hiệu suất phức tạp của các vật liệu làm từ tinh bột. Đối với loại chất liên kết chéo này, một lượng bổ sung thích hợp có thể cải thiện hiệu suất của chất dẻo phân hủy dựa trên tinh bột và quá nhiều sẽ hoạt động như một chất hóa dẻo, điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của vật liệu.
03
Phân hủy
Khả năng phân hủy là ưu điểm lớn nhất của nguyên liệu làm từ tinh bột. Sự phân hủy sinh học của các nguyên liệu làm từ tinh bột thường là do hoạt động sinh học của nấm, vi khuẩn và các vi sinh vật khác trong điều kiện tự nhiên như đất, hoặc trong một số điều kiện cụ thể như điều kiện ủ phân hoặc trong dung dịch nuôi cấy nước.
Phương pháp chôn lấp trong đất sử dụng vi sinh vật để ăn mòn tinh bột trong đó và tiết ra các enzym làm giảm độ bền của nguyên liệu. Nhựa và muối kim loại trong đất trải qua quá trình tự oxy hóa để tạo ra peroxit, thúc đẩy sự phá vỡ các chuỗi phân tử polyme và trở thành các chất phân tử thấp. , Mà trở thành H2O và CO2.
Phân hủy phân hủy
Phương pháp ủ phân sử dụng vi sinh vật để kiểm soát quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ khó phân hủy trong chất thải rắn thành mùn, H2O và CO2 ổn định trong điều kiện oxy.
Liên kết chéo giúp tăng cường lực tương tác giữa các phân tử và nội phân tử và giảm tốc độ phân hủy của vật liệu. Trong các trường hợp bình thường, mức độ phân huỷ của nhựa phân huỷ từ tinh bột có tương quan thuận với hàm lượng tinh bột và thời gian chôn lấp đất, và tốc độ phân huỷ tương quan thuận với hàm lượng tinh bột, độ ẩm môi trường, mức độ liên kết ngang và hàm lượng chất dẻo.
Độ sâu chôn lấp không có ảnh hưởng rõ ràng đến tốc độ xuống cấp của màng; tỷ lệ giảm trọng lượng của màng trong vòng 15 ngày là 48,70%, có khả năng phân hủy sinh học hoàn hảo.
Lượng CO2 thải ra trong hệ thống ủ đất đặc trưng cho khả năng phân hủy của chất dẻo sinh học tinh bột lúa mạch amylose cao có liên kết chéo CA. Tốc độ phân hủy của nhựa tương đối cao trong vòng 20 ngày và giảm đáng kể sau 20 ngày. Sau 100 ngày, tỷ lệ thoái hóa giống như tỷ lệ tham chiếu của đất, và vật liệu bị thoái hóa hoàn toàn. Đồng thời, người ta thấy rằng tốc độ phân huỷ của nhựa phân huỷ dựa trên tinh bột có liên kết chéo chậm hơn nhiều so với nhựa hạt tinh bột.
Vỏ lúa mạch biến tính giúp tăng cường sự suy thoái của màng composite liên kết ngang PVA / tinh bột trong môi trường đất tự nhiên. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy tỷ lệ mất trọng lượng của màng tinh bột PVA / liên kết chéo thấp hơn so với màng PVA / tinh bột. Màng hỗn hợp tinh bột trấu tự nhiên / PVA / tinh bột liên kết ngang có tỷ lệ phân hủy cao nhất và tỷ lệ giảm trọng lượng sau 120 ngày là 33%, vì sự hiện diện của trấu đại mạch tự nhiên trong vật liệu composite có thể hấp thụ nhiều nước hơn.
Phương pháp biến tính của nhựa phân hủy dựa trên tinh bột liên kết ngang
Do cấu trúc mạng ba chiều nhỏ gọn được hình thành bằng cách liên kết ngang, hiệu suất của chất dẻo phân hủy dựa trên tinh bột liên kết ngang đã được cải thiện ở một mức độ nhất định, nhưng nó vẫn chưa đạt được tiêu chuẩn của chất dẻo nói chung. Do đó, cần phải sửa đổi thêm, bao gồm pha trộn với các vật liệu polyme khác, tăng cường vật liệu nano, sửa đổi nhiều lần, phủ lớp phủ kỵ nước, v.v.
01
Biến đổi hỗn hợp polyme tự nhiên
Glucomannan có cấu trúc mạng lưới có thể ức chế sự lắng đọng của tinh bột và có lợi để cải thiện tính tương thích của hệ thống trộn. Sau đó, một lượng PVA thích hợp được thêm vào hệ thống để pha trộn. PVA cung cấp cho phim khả năng chống nước và các đặc tính cơ học tốt hơn, nhưng khả năng tương thích của hệ thống trở nên kém.
Transglutaminase được thêm vào hỗn hợp gelatin cá / tinh bột cao lương đã dẻo hóa glycerol, và một màng dựa trên tinh bột dẻo và chịu nước được tạo ra bằng cách liên kết chéo enzyme với các nhóm amin trong protein. WVP của màng được sửa đổi giảm, độ giãn dài khi đứt tăng và độ bền kéo giảm.
Glutaraldehyde
Sử dụng glutaraldehyde làm chất liên kết ngang, màng liên kết ngang hỗn hợp khoai tây / CS có khả năng chống thấm nước tốt hơn đã được chế tạo bằng phương pháp đúc. Đồng thời, CS đã tạo cho màng những đặc tính kháng khuẩn độc đáo, giúp màng này có thể sử dụng trong lĩnh vực y sinh hoặc bảo quản thực phẩm. sử dụng rộng rãi.
So với màng tinh bột nguyên chất, các đặc tính của màng tinh bột được pha trộn và liên kết chéo với các chất tạo màng sinh học khác được cải thiện. Đồng thời, các vật liệu sinh học khác cũng có thể mang lại một số đặc tính bổ sung cho màng làm từ tinh bột. Phương pháp này là để chuẩn bị Xu hướng mới của vật liệu màng mới dựa trên tinh bột.
02
Pha trộn điều chỉnh polyester có thể phân hủy
Trộn tinh bột với polyester có thể phân hủy, với sự trợ giúp của polyester' các tính chất cơ học tuyệt vời và khả năng chống thấm nước, có thể bù đắp hiệu quả sự thiếu hụt của màng tinh bột về mặt hiệu suất. Đối với hệ thống phối trộn, sự tương hợp của nhiều chất là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu.
ECH và glycerin được sử dụng để biến tính tinh bột, sau đó tinh bột biến tính được trộn với PLA, và màng được chuẩn bị bằng quy trình ép nóng. Các nhóm hydroxyl trên phân tử tinh bột được các phân tử ECH liên kết chéo để tạo thành các nhóm ete, do đó làm thay đổi tính ưa nước của tinh bột. Sự biến đổi liên kết chéo và hóa dẻo của tinh bột cải thiện khả năng tương thích của nó với PLA và tăng cường các đặc tính cơ học của nó.
Khi tỷ lệ hàm lượng tinh bột / PVA / CA là 3: 3: 0,08, màng pha trộn có hiệu suất tổng thể tốt nhất; độ hấp thụ nước của màng hỗn hợp gấp 54,31 lần trọng lượng của chính nó và độ bền kéo cơ học là 46,45 MPa.
Do bổ sung PVA, màng có hoạt tính kháng khuẩn mạnh chống lại vi khuẩn gây bệnh từ thực phẩm Listeria và Escherichia coli.
Kết quả thử nghiệm bao bì quả sung tươi cho thấy màng composite thứ ba pha tạp CA có tính thấm hơi nước, có thể ngăn ngừa thối quả và sương mù bề mặt hiệu quả, đồng thời có khả năng giữ nước và chống thấm cao.
Màng này có tiềm năng lớn trong việc tạo màng bao bì chống sương mù và các ứng dụng đóng gói thực phẩm tích cực để đóng gói nông sản tươi có độ thấm cao.
Màng hỗn hợp PVA / tinh bột liên kết ngang CA có thể được áp dụng cho băng vết thương được chế tạo bằng phương pháp đúc. So với các màng nhựa tương tự để đóng gói, màng hỗn hợp PVA / tinh bột đã chuẩn bị có tính linh hoạt cao hơn, mô đun đàn hồi thấp hơn, độ hòa tan và chỉ số trương nở cao hơn, tỷ lệ phân hủy in vitro tuyệt vời và đặc tính kháng khuẩn, là một vật liệu băng vết thương tuyệt vời.
03
Sửa đổi gia cố chất độn nano
Ngoài polyester có thể phân hủy, xenlulo và các hạt nano cũng là chất độn thường được sử dụng trong những năm gần đây để nghiên cứu các tính chất cơ học của nhựa phân hủy từ tinh bột.
Sợi nano xenlulo (CNF) và tinh thể nano xenlulo (CNC) có tác dụng tăng cường tốt hơn trên màng tinh bột và CNF có tác dụng tăng cường tốt hơn CNC. Điều này chủ yếu là do cả cellulose và tinh bột đều là polysaccharide, và cả hai có cấu trúc tương tự nhau, và các liên kết hydro mạnh dễ dàng hình thành giữa các nhóm hydroxyl, dẫn đến kết dính bề mặt cực kỳ mạnh mẽ.
Sợi nano xenlulo
Máy CNC có hình thái giống kim với độ kết tinh cao; trong khi CNFs có cấu trúc mạng với tỷ lệ khung hình lớn hơn, mức độ liên kết với tinh bột cao hơn và tương tác giữa các phân tử lớn hơn. Giao diện mạnh mẽ này Nó cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu màng làm từ tinh bột.
Tinh bột ngô sáp được trộn với micro / nano cellulose (MFC), và vật liệu tổng hợp dựa trên tinh bột liên kết chéo với axit 1,2,3,4-butanetetracarboxylic được chế tạo bằng phương pháp đúc.
Phim liên kết chéo với nội dung MFC 15wt% mà không sử dụng bất kỳ chất làm dẻo nào
Chúng tôi cung cấp màng phân hủy sinh học hoàn toàn đã được cấp bằng sáng chế và túi PVA, tất cả các sản phẩm đều được làm bằng thiết bị đúc, Nó khác với các sản phẩm đúc thổi truyền thống, tất cả các sản phẩm đúc thổi đều không phân hủy sinh học hoàn toàn. Chúng tôi có thể sản xuất màng và túi pva trong suốt và nhiều màu sắc khác nhau. và màng PVA mịn hơn các sản phẩm đúc thổi truyền thống.
Chúng tôi cũng cung cấp màng và túi phân hủy sinh học hoàn toàn bằng vật liệu hữu cơ với nguyên liệu và quy trình sản xuất được cấp bằng sáng chế.
Để biết thêm các sản phẩm phim và túi PVA, vui lòng truy cập chúng tôi:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/