Abbaubare Kunststoffe

Interpretation stärkebasierter abbaubarer Kunststoffe: Vernetzung und Modifizierung

Einleitung: Stärke ist eine natürliche und erneuerbare Polymerverbindung. Aufgrund ihres Überflusses, ihrer leichten Verfügbarkeit und ihres niedrigen Preises wird Stärke häufig bei der Erforschung abbaubarer Kunststoffe verwendet. Gegenwärtig machen biologisch abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis etwa 50 % der bestehenden kommerziellen biologisch abbaubaren Kunststoffe aus, und sie wurden in Lebensmittelverpackungsfolien, landwirtschaftlichen Mulchfolien, geschäumten Kunststoff-Lunchboxen und medizinischen Gerüsten für die Knochengewebetechnik 41 verwendet Aufgrund der molekularen Struktur von Stärke ist die Verarbeitbarkeit von Stärke selbst schlecht. Im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen sind die mechanischen Eigenschaften und Barriereeigenschaften von stärkebasierten abbaubaren Kunststoffen stark reduziert und können kommerziell nicht weiter gefördert werden. Daher ist die physikalische oder chemische Modifikation von Stärke sehr wichtig. Die Vernetzung ist eine der Hauptmethoden der Stärkemodifikation. Die durch die Vernetzung gebildete eng verbundene dreidimensionale Netzwerkstruktur verbessert die intermolekulare Wechselwirkung, wodurch ein abbaubares Material mit guter Hitzebeständigkeit, Wasserbeständigkeit, hoher Festigkeit und Flexibilität erhalten wird.

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Vernetzungsverfahren von stärkebasiertem abbaubarem Kunststoff

Vernetzung ist der Prozess der Verknüpfung von linearen oder verzweigten Polymerketten zu einem vernetzten Polymer durch Bildung kovalenter Bindungen. Nach verschiedenen Vernetzungsverfahren lassen sich vernetzte abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis in chemisch vernetzte abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis und photovernetzte abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis einteilen.

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Chemische Vernetzung

Chemische Vernetzung ist die Reaktion eines Vernetzungsmittels, das binäre oder mehrfach funktionelle Gruppen enthält, mit den Hydroxylgruppen des Stärkemoleküls, um Gruppen wie Dietherbindungen oder Diestergruppen zu bilden, wodurch mehrere Stärkemoleküle vernetzt werden, um ein räumliches Netzwerk zu bilden Strukturähnliche Polymermethode. Üblicherweise verwendete Vernetzungsmittel sind Glutaraldehyd, Epichlorhydrin (ECH), Natriumtrimetaphosphat (STMP), Zitronensäure (CA) und Äpfelsäure. Auch die Eigenschaften von abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis, die mit unterschiedlichen Vernetzern hergestellt wurden, sind unterschiedlich.

In den letzten Jahren wurde durch die energische Förderung von Umweltschutzkonzepten der CA-Typ"grün" nicht-toxische Vernetzungsmittel werden bei Forschern immer beliebter und sind die Hauptvernetzer zum Vernetzen von abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis. Je nach Zeitpunkt der Zugabe des Vernetzungsmittels kann die chemische Vernetzung in Vernetzung (d. h. das Vernetzungsmittel wird zur Reaktion während des Polymerformungsprozesses zugegeben) und Nachvernetzung (d. h. nach der Bildung des Materials, imprägniert) unterteilt werden durch die Vernetzungsmittellösung) Das Verfahren bewirkt eine Vernetzung zwischen Molekülen).

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Photovernetzung

Die Photovernetzung ist ein Verfahren, bei dem dem Stärkesystem ein Photosensibilisator zugesetzt wird, um es unter Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) in freie Radikale zu zersetzen, und den Photosensibilisator verwendet, um die Hydroxylgruppen in der Stärke zu polymerisieren, um die Stärkemoleküle zu vernetzen. . Bei der Photovernetzung zur Herstellung von abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis sind die Strahlendosis und die Photosensibilisatorkonzentration die wichtigsten Faktoren, die den Vernetzungsgrad des Materials beeinflussen. Verglichen mit dem chemischen Vernetzungsverfahren erfordert das Photovernetzungsverfahren keine hydrothermale Ausrüstung und keine Vernetzungsreagenzien, ist sicherer und umweltfreundlicher und ist einfach zu handhaben und die Reaktion ist leicht zu kontrollieren. Es kann an die großtechnische kontinuierliche Produktion von Materialien angepasst werden und ist für biobasierte Hydrogele geeignet. , Vorbereitung von Medikamentenverabreichungsmaterialien usw.

Der Einfluss der Vernetzung auf die Eigenschaften von stärkebasierten abbaubaren Kunststoffen

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Wasserbeständigkeit

Die Wasserbeständigkeit ist eine der wichtigen Bedingungen für die Prüfung der Anwendungsstandards von biobasierten abbaubaren Membranmaterialien. Aufgrund der natürlichen Hydrophilie von Stärke weisen Folienmaterialien auf Stärkebasis jedoch im Allgemeinen eine stärkere Hydrophilie und eine höhere Permeabilität auf. Durch die Vernetzungsmodifikation hat Stärke eine eng verbundene dreidimensionale Netzwerkstruktur, die den Eintritt und die Migration von Wassermolekülen wirksam verhindern kann. Wasseraufnahme, Quellung und Wasserdampfdurchlässigkeit (WVP) werden häufig verwendet, um die Wasserbeständigkeit von stärkebasierten Materialien zu charakterisieren.

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Mechanisches Verhalten

In der täglichen Produktion und im täglichen Leben müssen Verpackungsfolienmaterialien eine gewisse Festigkeit und Flexibilität aufweisen, um ihre Integrität während der Verarbeitung zu bewahren. Die Vernetzung stellt intermolekulare und intramolekulare Verbindungen her, verlängert die Molekülketten der Stärke, verbessert die intermolekularen Wechselwirkungen und führt zu einer erhöhten Zugfestigkeit des Materials und einer verringerten Bruchdehnung. Im Allgemeinen kann die Zugabe einer kleinen Menge an Vernetzungsmittel die Leistungsanforderungen des Produkts erfüllen. Bei niedrigem Vernetzungsgrad nimmt die Länge der zum Gleiten zur Verfügung stehenden Stärkemoleküle zu. Mit der kontinuierlichen Erhöhung des Vernetzungsgrades werden die intermolekularen und intramolekularen Wechselwirkungen verstärkt und die Zugfestigkeit erhöht, gleichzeitig wird aber auch der intermolekulare Schlupf eingeschränkt, was zu einer Abnahme der Bruchdehnung des Materials führt und die Brüchigkeit. Stärke hat eine starke Hydrophilie. Wenn das System zu viel Stärke enthält, wird die intermolekulare Kraft nach der Wasseraufnahme des Materials geschwächt, was die Zugfestigkeit des Materials stark verringert. Neben dem Vernetzungsgrad und dem Stärkegehalt hat RH auch einen größeren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von stärkebasierten abbaubaren Kunststoffen. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 40 % beträgt, sind die mechanischen Eigenschaften der Schicht auf Stärkebasis am besten. Eine zu niedrige RH kann das Material spröde machen und beim Strecken in Stücke brechen; wenn die relative Luftfeuchtigkeit zu hoch ist, gelangen große Mengen an Wassermolekülen als Weichmacher in die Kunststofffolie und die Zugfestigkeit nimmt ab. Die Aushärtezeit und Aushärtetemperatur sind ebenfalls wichtige Faktoren, die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

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Abbaubarkeit

Die Abbaubarkeit ist der größte Vorteil von stärkebasierten Materialien. Der biologische Abbau von stärkebasierten Materialien wird normalerweise durch die biologischen Aktivitäten von Pilzen, Bakterien und anderen Mikroorganismen unter natürlichen Bedingungen wie Boden oder unter bestimmten spezifischen Bedingungen wie Kompostierungsbedingungen oder in wässrigen Kulturlösungen verursacht. Bei der Bodenbestattungsmethode werden Mikroorganismen verwendet, um die darin enthaltene Stärke zu erodieren und Enzyme abzusondern, was die Festigkeit des Materials verringert. Der Kunststoff und das Metallsalz im Boden unterliegen einer Autooxidation, um Peroxide zu erzeugen, die das Aufbrechen von Polymermolekülketten fördern und zu niedermolekularen Substanzen werden. , die zu H2O und CO2 wird. Das Kompostierungsverfahren verwendet Mikroorganismen, um die Umwandlung von abbaubarem organischem Material in festen Abfällen in stabilen Humus, H2O und CO2 unter Sauerstoffbedingungen zu kontrollieren. Die Vernetzung erhöht die intermolekulare und intramolekulare Wechselwirkungskraft und verringert die Abbaurate des Materials. Unter normalen Umständen korreliert der Abbaugrad von abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis positiv mit dem Stärkegehalt und der Erdvergrabungszeit, und die Abbaurate korreliert positiv mit dem Stärkegehalt, der Umgebungsfeuchtigkeit, dem Vernetzungsgrad und dem Weichmachergehalt.

Modifizierungsverfahren von vernetztem abbaubarem Kunststoff auf Stärkebasis

Aufgrund der kompakten dreidimensionalen Netzwerkstruktur, die durch die Vernetzung entsteht, ist die Leistung von vernetzten abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis bis zu einem gewissen Grad verbessert worden, aber sie entsprechen immer noch nicht den Standards allgemeiner Kunststoffe. Daher ist es notwendig, es weiter zu modifizieren, einschließlich Mischen mit anderen Polymermaterialien, Nanomaterialverstärkung, Mehrfachmodifikation, Beschichtung mit hydrophober Beschichtung usw.

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Natürliche Polymermischungsmodifikation

Geng Shengrong und andere verwendeten STMP, um das Mischsystem aus Stärke und Konjakfliegenpulver zu vernetzen, und stellten einen abbaubaren Mischfilm mit guter Wasserbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften durch das Gießfilmbildungsverfahren her. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass Glucomannan mit einer Netzwerkstruktur das Absetzen von Stärke hemmen kann und vorteilhaft ist, um die Kompatibilität des Blendsystems zu verbessern. Dann wird dem System zum Vermischen eine geeignete Menge PVA zugesetzt. PVA verleiht dem Film eine bessere Wasserbeständigkeit und bessere mechanische Eigenschaften, aber die Systemkompatibilität wird schlecht. Liet al. verwendeten Glutaraldehyd als Vernetzungsmittel, um einen vernetzten Kartoffel/CS-Verbundfilm mit besserer Wasserbeständigkeit durch das Gießverfahren herzustellen. Gleichzeitig verlieh CS der Folie einzigartige antibakterielle Eigenschaften, sodass sie in der Biomedizin oder Lebensmittelkonservierung eingesetzt werden kann. Das Feld ist weit verbreitet. Im Vergleich zu reinen stärkebasierten Folien sind die Eigenschaften von stärkebasierten Folien, die mit anderen Biopolymeren gemischt und vernetzt werden, verbessert. Gleichzeitig können auch andere Biomaterialien den stärkebasierten Folien einige zusätzliche Eigenschaften verleihen. Diese Methode soll den neuen Trend neuer stärkebasierter Membranmaterialien herstellen.

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Mischmodifikation von abbaubarem Polyester

Das Mischen von Stärke mit abbaubarem Polyester mit Hilfe der hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Wasserbeständigkeit von Polyester&kann die Leistungsschwäche von Stärkefolien effektiv ausgleichen. Bei Mischsystemen ist die Verträglichkeit mehrerer Substanzen ein wichtiger Faktor, der die mechanischen Eigenschaften von Materialien beeinflusst. ECH und Glycerin werden verwendet, um die Stärke zu modifizieren, und dann wird die modifizierte Stärke mit PLA gemischt und die Folie kann durch das Heißpressverfahren hergestellt werden. Die Hydroxylgruppen der Stärkemoleküle werden durch ECH-Moleküle zu Ethergruppen vernetzt, wodurch die Hydrophilie der Stärke verändert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die quervernetzende und weichmachende Modifikation von Stärke ihre Kompatibilität mit PLA verbessert und ihre mechanischen Eigenschaften verbessert. Eine ternäre Mischungsfolie kann mit unterschiedlichen Verhältnissen von Stärke/PVA/CA hergestellt werden.

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Nanofüller verstärkte Modifikation

Neben abbaubaren Polyestern sind auch Cellulose und Nanopartikel in den letzten Jahren häufig verwendete Füllstoffe, um die mechanischen Eigenschaften von stärkebasierten abbaubaren Kunststoffen zu untersuchen. Studien von Balakrishnan et al. haben gezeigt, dass Zellulose-Nanofasern (CNFs) und Zellulose-Nanokristalle (CNCs) eine bessere Verstärkungswirkung auf Stärkemembranen haben und CNFs eine bessere Verstärkungswirkung haben als CNCs. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass Cellulose und Stärke beide Polysaccharide sind und beide ähnliche Strukturen aufweisen und zwischen Hydroxylgruppen leicht starke Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden, was zu einer extrem starken Grenzflächenadhäsion führt. CNCs haben eine nadelartige Morphologie mit hoher Kristallinität; während CNFs eine Netzwerkstruktur mit einem großen Aspektverhältnis, einem hohen Grad an Verschränkung mit Stärke und einer stärkeren Wechselwirkung zwischen Molekülen aufweisen. Es verbessert die mechanischen Eigenschaften von Folienmaterialien auf Stärkebasis.

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Hydrophobe Beschichtungsmodifikation

Um die Wasserbeständigkeit des auf Stärke basierenden Films zu verbessern, kann er auch oberflächenbehandelt werden, beispielsweise durch Beschichten mit einer hydrophoben Beschichtung. Weichen Sie den vorbereiteten Weizenkleberfilm und die schäumende Stärkeschale in der Triacetat-Dichlormethan-Lösung ein. Die langsame Verflüchtigung des Lösungsmittels bildet einen Beschichtungsfilm auf der Oberfläche des Materials. Die Beschichtung mit Triacetat-Stärke erhöht die Wasserbeständigkeit des Materials erheblich. Bei der Verwendung von PLA als Rohstoff für die Beschichtung von Schaum auf Stärkebasis verbessert die PLA-Beschichtung zwar eine schlechte Verträglichkeit mit dem Schaum, verbessert aber dennoch die Dichte, Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit des Schaums.

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Mehrfache chemische Modifikation

Die Leistung von Filmmaterialien auf Basis vernetzter Stärke, die durch umfassende Verwendung mehrerer Modifikationsverfahren hergestellt werden, ist besser als die eines einzelnen Films aus vernetzter modifizierter Stärke. Mehrfache chemische Modifikationen sind der Mainstream-Trend, um die Leistung von abbaubaren Folien auf Stärkebasis zu verbessern. Wenn der Film aus vernetzter oxidierter Stärke (C-OS-Film) und der Film aus oxidierter vernetzter Stärke (O-CS-Film) jeweils mit Wasserstoffperoxid und Borsäure hergestellt werden, hat der O-CS-Film aufgrund der partiellen Abbau von Stärkemolekülen durch die erste Oxidation. Hohe Hydrophilie macht den Film flexibler; Die C_OS-Folie weist aufgrund der ersten Vernetzung einen höheren Vernetzungsgrad auf, und die Folie weist eine bessere Wasserbeständigkeit und Festigkeit auf. Die hydrophobe und lipophile plastifizierte modifizierte Stärke aus Verbundpolyol wurde hergestellt, indem nacheinander eine STMP-Vernetzung, eine Oberflächenbehandlung des Aluminat-Kupplungsmittels und eine Weichmacher-Plastifizierung auf Maisstärke durchgeführt und dann mit PCL vermischt und zu einer Folie kalandriert wurde stark verbessert werden. Sukhijaet al. verwendeten STMP als Vernetzungsmittel und Natriumhypochlorit als Oxidationsmittel, um vernetzte oxidierte doppelt modifizierte Lotuswurzelstärke herzustellen, vermischten sie mit konzentriertem Molkenprotein, Glycerin und Wegerichschalen und bereiteten sie nach dem Gießverfahren vor. Der Film auf Stärkebasis wird erhalten und die thermische Stabilität, die mechanischen Eigenschaften und die Wasserbeständigkeit des Films werden stark verbessert. Mehrfachmodifikation verbessert nicht nur die Leistung des Materials, sondern erhöht auch die Produktionskosten von Materialien auf Stärkebasis. Daher steht die Auswahl von weniger Modifizierungsmethoden zur Erzielung einer besseren Leistung im Mittelpunkt der zukünftigen Forschung zu stärkebasierten abbaubaren Kunststoffen.

Die zukünftige Entwicklungsrichtung von vernetzten abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis

Die Verwendung von vernetzten abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis ist eine der wichtigen Methoden, um das Problem der"weißen" Verschmutzung. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung wurde das Material jedoch vor allem aufgrund seiner Kosten und Leistung noch nicht in Massenproduktion hergestellt und angewendet. Der vollständig vernetzte abbaubare Kunststoff auf Stärkebasis weist ausgezeichnete Abbaueigenschaften auf, seine mechanischen Eigenschaften und seine Wasserbeständigkeit erreichen jedoch nur schwer die Standards allgemeiner Kunststoffe. Um vollständig abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis zu erhalten, die den Anforderungen der Anwendung genügen, reicht eine einfache quervernetzende Modifikation von Stärke bei weitem nicht aus. Sie muss durch die umfassende Anwendung komplexer Modifizierungsverfahren oder die Abmischung mit Polyester erreicht werden. Die daraus resultierenden hohen Kosten werden die kommerzielle Förderung von Materialien unweigerlich behindern. Derzeit ist der Preis für auf dem Markt hergestellte, vernetzte, vollständig abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis 4-10 mal höher als für Allzweckkunststoffe. Sie werden hauptsächlich beim Outsourcing und Verpacken einiger hochwertiger Kosmetika und einiger medizinischer Artikel (wie chirurgisches Nahtmaterial und Kapseln zur Wirkstofffreisetzung) verwendet. ).

Stärke ist jedoch einer der wettbewerbsfähigsten Rohstoffe für biobasierte Kunststoffe und hat breite Anwendungsperspektiven in nachhaltigen Entwicklungsstrategien. Derzeit sind stärkeabbaubare Polyester-Blend-Kunststoffe die ausgereiftesten und vollständig abbaubaren Produkte auf dem Markt. In Zukunft sollten sich die Forscher der Entwicklung kostengünstiger und leistungsstarker abbaubarer Kunststoffe auf Stärkebasis widmen. Es gibt hauptsächlich folgende Forschungsrichtungen:

1. Beim Modifizierungsprozess sollten sichere und umweltfreundliche Modifizierungsmethoden verwendet werden, und es sollten so weit wie möglich grüne und schadstofffreie Zusatzstoffe verwendet werden, um deren Abbau oder Kompostierung zu erleichtern.

2. Bei gemischten abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis sollte die verwendete Stärkemenge so weit wie möglich erhöht werden, unter der Voraussetzung, dass die Leistungsanforderungen erfüllt werden, um die Produktionskosten des Materials zu senken; gleichzeitig sollten die Blends eine gute Verträglichkeit aufweisen, um ausgezeichnete mechanische Eigenschaften zu erhalten.

3. Einführung neuer Materialien, um abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis multifunktionale Eigenschaften zu verleihen, z den Markt für abbaubare Kunststoffe auf Stärkebasis erweitern.

4. Entwicklung neuer Verfahren zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Herstellung von Materialien, wie z. B. die Verwendung verbesserter Formverfahren, Extrusionsblasverfahren usw. anstelle von Gießfolienverfahren, um die kommerzielle kontinuierliche Massenproduktion von abbaubaren Kunststoffen auf Stärkebasis zu fördern .

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