Herstellung und Anwendung von biologisch abbaubarem Material auf Maisstärkebasis

Was ist PLA-Material?

Polymilchsäure (PLA) ist ein Polyesterpolymer, das durch Polymerisation mit Milchsäure als Hauptrohstoff gewonnen wird und üblicherweise aus Stärke hergestellt wird, die aus nachwachsenden Pflanzenressourcen (wie Mais, Maniok usw.) gewonnen wird.

PLA-Materialien werden im Bereich des 3D-Drucks aufgrund ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften und der einfachen Handhabung häufig verwendet. Die Rohstoffe werden aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen, was nicht nur die Abhängigkeit von herkömmlichen petrochemischen Ressourcen verringert, sondern auch einen geringen CO2-Fußabdruck im Produktionsprozess aufweist. PLA ist gut luftdurchlässig und transparent und kann auf verschiedene Arten verarbeitet werden, darunter Extrusion, Spinnen, Spritzblasformen usw. Dieses Material ist hochgradig biokompatibel, für den menschlichen Körper ungiftig und kann sogar vom menschlichen Körper absorbiert werden, sodass es auch im medizinischen Bereich ein breites Anwendungsspektrum bietet.

Obwohl die Hitzebeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften von PLA nicht so gut sind wie die einiger technischer Kunststoffe, sind seine Zugfestigkeit und sein Biegemodul ausreichend, um den Anforderungen des täglichen Gebrauchs gerecht zu werden. Beispielsweise hat PLA nach und nach herkömmliche Kunststoffe in Lebensmittelbehältern, Verpackungsmaterialien und einigen langlebigen Konsumgütern ersetzt. PLA ist außerdem gut abbaubar und wird von Mikroorganismen im Boden zersetzt, wobei Kohlendioxid und Wasser entstehen, was keine langfristige Umweltverschmutzung verursacht.

Insgesamt gilt PLA aufgrund seiner umweltfreundlichen, biologisch abbaubaren und vielseitigen Eigenschaften als ideales nachhaltiges Material. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und der Verbesserung des Umweltbewusstseins dürfte sich der Anwendungsbereich von PLA in Zukunft noch weiter ausweiten.

PLA-Granulat, auch Polymilchsäure-Granulat genannt, sind die Grundrohstoffe zur Herstellung von Produkten aus Polymilchsäure (PLA).

Die Herstellung von PLA-Granulat umfasst mehrere wichtige Schritte, die sicherstellen, dass das Endprodukt eine hervorragende biologische Abbaubarkeit und mechanische Eigenschaften aufweist. Jeder Schritt des Herstellungsprozesses, von der Auswahl der Rohstoffe bis zur endgültigen Polymerisation, ist entscheidend. Das Herstellungsverfahren für PLA-Granulat wird im Folgenden ausführlich beschrieben:

1. Zutaten

• Rohstoffbeschaffung: Die Herstellung von PLA beginnt mit der Auswahl pflanzlicher Rohstoffe wie Maisstärke und Maniok, die zerkleinert und die Stärke daraus extrahiert wird.
• Verzuckerungsprozess: Die extrahierte Stärke wird durch Verzuckerung in Glukose umgewandelt. Dies geschieht durch Mischen und Erhitzen von Enzymen und anderen Chemikalien.

2. Gären

• Milchsäuregärung: Anschließend wird Glukose durch einen mikrobiellen Fermentationsprozess in Milchsäure umgewandelt. Bei diesem Verfahren wird Glukose fermentiert, um hochreine Milchsäure herzustellen.

3. Synthese von PLA

• Direkte Polykondensationsmethode: In Gegenwart eines Dehydratisierungsmittels werden Milchsäuremoleküle durch thermische Dehydratation direkt kondensiert und zu Oligomeren polymerisiert. Anschließend werden Kettenverlängerer hinzugefügt, um PLA mit hohem Molekulargewicht zu erzeugen.
• Zwei-Schritt-Methode: Milchsäure wird zunächst in zyklisches dimeres Lactid umgewandelt und dann durch Ringöffnung zu PLA polymerisiert. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von PLA mit hohem Molekulargewicht und enger Molekulargewichtsverteilung.

4. Verfeinerung

• Reinigung und Justierung: PLA wird durch verschiedene Polymerisationsverfahren und -bedingungen gereinigt und fein abgestimmt, um Polymere mit unterschiedlicher Kristallinität und unterschiedlichen Molekulargewichten zu erhalten. Dadurch können die Eigenschaften des PLA-Materials an die Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beim Herstellungsprozess von PLA-Granulat nicht nur Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit berücksichtigt werden, sondern auch sichergestellt wird, dass das Endprodukt gute mechanische Eigenschaften und eine einfache Verarbeitung aufweist. Dieser körnige Rohstoff kann durch anschließendes Schmelzen, Extrudieren oder andere Verarbeitungsprozesse zu einer Vielzahl von Industrie- und Verbraucherprodukten verarbeitet werden, wodurch er in einer Vielzahl von Bereichen weit verbreitet ist.

Was sind die physikalischen Modifikationsgranulate von PLA?

Es gibt viele Methoden zur physikalischen Modifikation und Granulierung von PLA, vor allem einschließlich Füllungsmodifikation, Mischungsmodifikation, morphologische und strukturelle Modifikation usw.

PLA Doppelschneckenextruder >>

Als umweltfreundliches, biologisch abbaubares Material wird PLA in der Praxis als Ersatz für herkömmliche Kunststoffe im Bereich von Verpackungsanwendungen eingesetzt, um Kosten zu senken und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu steigern. Die am häufigsten modifizierten Anwendungen sind Füllmodifizierung und Mischmodifizierung. Im Folgenden werden die Methoden der Füllmodifizierung und Mischmodifizierung sowie ihre spezifischen Anwendungen behandelt:

1. Füllungsänderung

• Zugabe kleiner anorganischer oder organischer Moleküle: Verbesserung bestimmter Eigenschaften durch Zugabe kleiner anorganischer oder organischer Moleküle zum Polymer. Diese Methode ist einfach und kostengünstig und wird häufig verwendet, um die Festigkeit, Zähigkeit und Flammhemmung von Materialien zu verbessern.
• Zugabe von Polymeren: Bei dieser Methode, auch als Mischen bezeichnet, werden die Eigenschaften des ursprünglichen Harzes verändert, indem ein oder mehrere andere Harze, darunter Kunststoffe und Gummi, in ein Harz eingearbeitet werden. Durch das Compoundieren können die Kompatibilität und Verarbeitbarkeit von Materialien erheblich verbessert werden.

2. Blending-Modifikation

• Weichmachermischung: PLA ist ein starres Material und die Zugabe von Weichmachern wie Triacetat, Tributylcitrat, Polyethylenglykol (PEG) usw. kann seine Flexibilität und Schlagfestigkeit verbessern. Studien haben gezeigt, dass Citratweichmacher die Glasübergangstemperatur wirksam senken und die Sprödigkeit von PLA verbessern können.
• Nukleierungsmittelmischung: Die Zugabe eines Keimbildners zu PLA kann die Kristallisation beschleunigen und seine thermischen und mechanischen Eigenschaften verbessern. Beispielsweise können Kaliumbesylat und oberflächenmodifizierte Cellulose-Nanokristalle die Kristallinität und die antimikrobiellen Eigenschaften von PLA verbessern.
• Anorganische Füllstoffmischung: Schichtsilikate wie Kaolin und Montmorillonit werden mit PLA gemischt, um Verbundwerkstoffe mit hohen mechanischen Eigenschaften und thermischer Stabilität herzustellen. Beispielsweise weisen Calciumcarbonat und Hydroxylapatit-modifiziertes PLA eine höhere Zugfestigkeit und gute Biokompatibilität auf.
• Naturfasermischung: PLA wird mit Naturfasern wie Bananenfasern und Kokospalmenfasern gemischt, was nicht nur die mechanischen Eigenschaften verbessert, sondern auch die Abbaubarkeit verbessert. Dieses Verbundmaterial weist eine hervorragende Leistung in Bezug auf Wärmestabilität und Zugmodul auf.
• Mischen mit Maisstärke: Eine Mischungsmodifizierung von PLA und Stärke (Tapiokamehl, Yamsmehl usw.) in Kombination mit anderen Kompatibilisatoren und Härtemitteln kann die mechanischen Eigenschaften und die Zugfestigkeit verbessern, die Abbaueigenschaften erhöhen und die Abbauzeit verkürzen. Gleichzeitig werden dadurch auch die Rohstoffkosten gesenkt.

Die physikalische Modifikationsgranulierung von PLA umfasst eine Vielzahl von Technologien, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsanforderungen optimiert sind. Diese Modifikationsmethoden verbessern nicht nur die umfassenden Eigenschaften des Materials, sondern senken auch die Produktionskosten und erweitern den Anwendungsbereich. Bei der Auswahl der richtigen Modifikationsmethode müssen Faktoren wie die Endverwendung des Materials, die Kosten und die Umweltauswirkungen berücksichtigt werden.

Einführung in den Produktionsprozess von PLA-Granulat:

Der PLA-Pellet-Herstellungsprozess verwendet einen Doppelschneckenextruder mit einem luftgekühlten Förderband zum Pelletieren. Im Folgenden finden Sie eine Analyse der einzelnen Schritte:

1. Vorbehandlung der Rohstoffe

• Rühren und Erhitzen: Geben Sie zuerst Stärke, Zusatzstoffe usw. in den Mischer, rühren und erhitzen Sie, damit das Material vollständig und gleichmäßig vermischt wird. Geben Sie dann PLA und PBAT hinzu und rühren Sie weiter. Die Temperatur beträgt etwa 100 °. Der Zweck dieses Schritts besteht darin, die Oberflächenverträglichkeit des Füllstoffs zu ändern, damit sich das Material in der späteren Ausrüstung leichter verteilen und mischen lässt.

2. Compoundierung und Extrusion

• Doppelschneckenextruder ExtrusionÖN: Die gemischten Materialien werden zusammen in den Doppelschneckenextruder gegeben, und die hervorragende Mischleistung des Doppelschneckenextruders wird genutzt, und die Materialien werden vollständig geschmolzen und verteilt, gemischt beim Erhitzen des externen Heizgeräts. Das Material wird durch die Düse zu einer nudelartigen Substanz extrudiert. Der Vorteil eines Doppelschneckenextruders besteht darin, dass er Materialien kontinuierlich und effizient mischt, plastifiziert und extrudiert

3. Kühlen und Pelletieren

• Luftgekühlte Förderbandkühlung: Die extrudierten PLA-Nudeln werden gekühlt, indem sie durch ein luftgekühltes Förderband geführt werden. Mit dieser Methode kann die Temperatur der Partikel schnell gesenkt, ein Anhaften zwischen den Partikeln verhindert und die Dispersion und Qualität der Partikel sichergestellt werden.
• Pelletieren: Die abgekühlten Nudeln gelangen in den Pelletierer und werden von einem Hochgeschwindigkeits-Rotationsschneider in Partikel der Größe 3 x 3 mm geschnitten.

4. Sieben

• Screening von Partikeln, die den Normen entsprechen: Abschließend werden die aufbereiteten Partikel gesiebt und die Granulate sortiert und ausgewählt, die den Normen entsprechen und zu Kunststoffprodukten weiterverarbeitet werden sollen.

Anwendungsbereiche von biologisch abbaubarem PLA-Granulat:

PLA-Partikel, d. h. Polymilchsäurepartikel, sind biologisch abbaubare Kunststoffe, die durch Polymerisation mit Milchsäure als Hauptrohstoff gewonnen werden. Aufgrund ihrer umweltfreundlichen Eigenschaften und hervorragenden physikalischen Eigenschaften werden PAL-Partikel in vielen Bereichen häufig verwendet. Im Folgenden sind die Hauptanwendungsbereiche von PAL-Partikeln aufgeführt:

1. Medizinischer Bereich

• System zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung: PLA weist eine gute Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit auf und durch die Anwendung in Arzneimittelträgern kann eine kontrollierte Arzneimittelfreisetzung wirksam erreicht, die Anzahl der Arzneimittelverabreichungen verringert und die Wirksamkeit verbessert werden.
• Orthopädische Innenfixierungsmaterialien: Aus PLA-Materialien können Schrauben, Nägel, Stäbe und andere orthopädische Innenfixierungsmaterialien hergestellt werden, die im lebenden Organismus allmählich abgebaut werden können. Dadurch wird das Problem vermieden, dass herkömmliche Innenfixierungsmaterialien aus Metall in einem zweiten chirurgischen Eingriff entfernt werden müssen.

2. Verpackungsindustrie

• Lebensmittelverpackung: Lebensmittelverpackungsmaterialien aus PLA-Granulat wie Plastiktüten, Folien, Behälter usw. verfügen über eine gute Transparenz und gute mechanische Eigenschaften und sind aufgrund ihrer Abbaubarkeit gleichzeitig eine wirksame Lösung gegen weiße Verschmutzung.
• Non-Food-Verpackungen: PLA wird auch in Nicht-Lebensmittelverpackungen, beispielsweise für Elektronik und Kosmetik, verwendet und bietet nachhaltige und umweltfreundliche Möglichkeiten zur Reduzierung der Umweltbelastung.

3. Textilindustrie

• Bekleidungsfasern: PLA-Pellets werden zu Fasern verarbeitet, die bei der Herstellung verschiedener Kleidungsstücke und Textilien verwendet werden. Diese Faser ist atmungsaktiv und bequem, gleichzeitig aber auch biologisch abbaubar, was den ökologischen Fußabdruck der Bekleidungsindustrie reduziert.
• Heimtextilien: Beispielsweise werden zunehmend auch für Bettwäsche, Vorhänge und andere Heimtextilien PLA-Materialien verwendet, da diese nicht nur den Nutzungsanforderungen gerecht werden, sondern auch die Umweltverschmutzung verringern.

4. Landwirtschaft

• Landwirtschaftliche Mulchfolie: Die landwirtschaftliche Mulchfolie aus PLA-Partikeln hat nicht nur die Heiz- und Wasserspeicherfunktion einer herkömmlichen Kunststoffmulchfolie, sondern kann nach Gebrauch auch auf natürliche Weise im Boden abgebaut werden, wodurch eine langfristige Verschmutzung des Bodens durch Kunststofffolienfragmente vermieden wird.
• Anzuchtschalen und Behälter: PLA wird auch zur Herstellung von Setzlingsschalen und anderen Pflanzbehältern verwendet, die nach der Verwendung direkt abgebaut werden können, was die Kosten und den Aufwand für die Entsorgung von Abfallbehältern reduziert.

5. Geschirrindustrie

• Einweggeschirr: Einweggeschirr aus PLA-Granulat, wie Schüsseln, Teller, Essstäbchen usw., ersetzt aufgrund seiner umweltfreundlichen und abbaubaren Eigenschaften nach und nach herkömmliches Plastikgeschirr, insbesondere in der Take-away- und Lebensmittelverpackungsindustrie.

6. 3D-Druck im Bereich

• 3D-Druckmaterialien: PLA-Partikel sind aufgrund ihrer guten Thermoplastizität und Zwischenschichthaftung zu einem der am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck geworden. Benutzer können bei Bedarf eine breite Palette komplexer Formen und Strukturen für Prototyping, Unterricht und Kleinserienfertigung drucken.

7. Elektronikindustrie

• Kunststoffteile von elektronischen Geräten: Aufgrund ihrer guten Isoliereigenschaften und Abbaubarkeit werden PLA-Partikel zur Herstellung von Kunststoffteilen einiger elektronischer Geräte verwendet, um die Umweltverschmutzung zu verringern und gleichzeitig die Leistung sicherzustellen.

Aufgrund ihrer hervorragenden Umweltschutzeigenschaften und physikalischen Eigenschaften werden PLA-Partikel in vielen Bereichen wie Medizin, Verpackung, Textil, Landwirtschaft, Geschirr, 3D-Druck und Elektronik häufig eingesetzt. Mit der Stärkung des globalen Umweltbewusstseins und dem technologischen Fortschritt werden die Anwendungsaussichten von PLA-Partikeln breiter. In praktischen Anwendungen kann die geeignete Modifikations- oder Compoundierungsmethode entsprechend den spezifischen Anforderungen ausgewählt werden, um die Materialeigenschaften zu optimieren und den spezifischen Anforderungen verschiedener Bereiche gerecht zu werden.

Ist PLA sicher?

Da Polymilchsäure (PLA) ein neues biologisch abbaubares Material ist, ist die Sicherheit davon in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt.

1. Biokompatibel

• Biomedizinische Anwendungen: PLA hat seine hervorragende Biokompatibilität in zahlreichen biomedizinischen Anwendungen unter Beweis gestellt, beispielsweise bei der Herstellung von Infusionsgeräten zum Einmalgebrauch und nicht zerlegbarem chirurgischem Nahtmaterial.
• Biologische Abbaubarkeit: PLA kann nach Gebrauch in der Natur vollständig durch Mikroorganismen abgebaut werden und erzeugt schließlich Kohlendioxid und Wasser, wodurch die Umwelt nicht verschmutzt wird, was sehr förderlich für den Umweltschutz ist und als umweltfreundliches Material anerkannt wird.

2. Physikalische und chemische Eigenschaften

• Stabilität: PLA hat eine gute thermische Stabilität, einen breiten Verarbeitungstemperaturbereich (170–230 °C) und eine gute Lösungsmittelbeständigkeit.
• Mechanische Eigenschaften: PLA verfügt über gute mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit und eignet sich daher für vielfältige Verarbeitungsverfahren.

3. Sicherheit bei Verarbeitung und Anwendung

• Verarbeitungssicherheit: PLA kann durch Extrusion, Spinnen, biaxiales Strecken, Spritzblasformen und andere Methoden verarbeitet werden und ist während der Verarbeitung ungiftig und ungefährlich.
• Nutzungssicherheit: PLA-Produkte geben bei der Verwendung, wie etwa in Lebensmittelverpackungen, Fast-Food-Lunchboxen usw., keine schädlichen Substanzen ab und sind für den menschlichen Körper unschädlich.

4. Umweltauswirkungen

• Abbaubarkeit: PLA kann in der natürlichen Umwelt vollständig abgebaut werden, wodurch die Umweltverschmutzung durch herkömmliche Kunststoffe vermieden wird.
• CO2-Fußabdruck: Im Vergleich zu erdölbasierten Kunststoffen weist PLA als biobasierter Kunststoff während der Herstellung und Verwendung einen geringeren CO2-Fußabdruck auf und trägt so zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei.

5. Flammschutzmittel und Rauchtoxizität

• Flammschutzmittel: PLA verfügt über eine gewisse Flammhemmung, die die Ausbreitung von Feuer bis zu einem gewissen Grad verlangsamen kann.
• Rauchgastoxizität: Das bei der PLA-Verbrennung entstehende Rauchgas ist relativ wenig toxisch und weniger schädlich für den menschlichen Körper.

6. Sicherheit bei Hautkontakt und Langzeitanwendung

• Sicherheit bei Haut-zu-Haut-Kontakt: PLA-Produkte verursachen keine Reizungen oder allergischen Reaktionen, auch nicht bei direktem Hautkontakt.
• Sicherheit bei Langzeitanwendung: PLA-Produkte weisen bei langfristiger Verwendung eine stabile Leistung auf und setzen durch Alterung keine schädlichen Substanzen frei.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sicherheit von PLA allgemein anerkannt ist und sich in Bezug auf Biokompatibilität, physikalische und chemische Eigenschaften, Verarbeitung und Verwendung, Umweltauswirkungen, Flammhemmung und Rauchgastoxizität als gut erwiesen hat. Gleichzeitig hat PLA breite Anwendungsaussichten, nicht nur im biomedizinischen Bereich, sondern auch in der Verpackung des täglichen Lebens, der Textilindustrie und anderen Branchen, die ebenfalls großes Potenzial aufweisen. Mit dem Fortschritt der Technologie und der Ausweitung der Produktionskapazität wird PLA voraussichtlich zu einer wichtigen Kraft, um herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen und zur Verwirklichung einer nachhaltigen Entwicklung und des Umweltschutzes beizutragen.