Producción y Aplicación de Material Biodegradable de Almidón de Maíz con base PLA

¿Qué es el material PLA?

El ácido poliláctico (PLA) es un polímero de poliéster obtenido por polimerización con ácido láctico como materia prima principal, que suele elaborarse a partir de almidón extraído de recursos vegetales renovables (como maíz, yuca, etc.).

Los materiales PLA se utilizan ampliamente en el campo de la impresión 3D debido a sus características de protección ambiental y ventajas de fácil manejo. Sus materias primas se derivan de recursos renovables, lo que no solo reduce la dependencia de los recursos petroquímicos tradicionales, sino que también presenta una baja huella de carbono en el proceso de producción. El PLA tiene buena permeabilidad al aire y transparencia y puede procesarse de diversas formas, incluidas extrusión, hilado, moldeo por inyección-soplado, etc. Este material es altamente biocompatible, no tóxico para el cuerpo humano e incluso puede ser absorbido por el cuerpo humano, por lo que también tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación en el campo médico.

Además, aunque la resistencia al calor y las propiedades mecánicas del PLA no son tan buenas como las de algunos plásticos de ingeniería, su resistencia a la tracción y su módulo de flexión son suficientes para satisfacer las necesidades del uso diario. Por ejemplo, el PLA ha reemplazado gradualmente a los plásticos tradicionales en envases de alimentos, materiales de embalaje y algunos bienes de consumo duraderos. El PLA también tiene buena degradabilidad y los microorganismos del suelo lo descomponen para producir dióxido de carbono y agua, lo que no causará contaminación a largo plazo al medio ambiente.

En general, el PLA se considera una opción de material sostenible ideal debido a sus propiedades ecológicas, biodegradables y multiusos. En el futuro, con el avance de la ciencia y la tecnología y la mejora de la conciencia ambiental, se espera que el alcance de aplicación del PLA se amplíe aún más.

Los gránulos de PLA, también conocidos como gránulos de ácido poliláctico, son la materia prima básica para la fabricación de productos de ácido poliláctico (PLA).

La fabricación de gránulos de PLA implica varios pasos importantes que garantizan que el producto final tenga una excelente biodegradabilidad y propiedades mecánicas. Cada paso del proceso de fabricación, desde la selección de materias primas hasta la polimerización final, es crucial. El método de fabricación de los gránulos de PLA se describe en detalle a continuación:

1. Ingredientes

• Adquisición de materia prima: La fabricación de PLA comienza con la selección de recursos vegetales como el almidón de maíz y la yuca, los cuales se trituran y se extrae el almidón.
• Proceso de sacarificación: El almidón extraído se convierte en glucosa mediante sacarificación, que se logra mezclando y calentando enzimas y otras sustancias químicas.

2. Fermentar

• Fermentación del ácido láctico: A continuación, la glucosa se convierte en ácido láctico mediante un proceso de fermentación microbiana. En este proceso, la glucosa se fermenta para producir ácido láctico de alta pureza.

3. Síntesis de PLA

• Método de policondensación directa: En presencia de un agente deshidratante, las moléculas de ácido láctico se condensan y polimerizan directamente en oligómeros mediante deshidratación térmica, y luego se añaden extensores de cadena para generar PLA de alto peso molecular.
• Método de dos pasos: El ácido láctico se convierte primero en lactida dimérica cíclica y luego se polimeriza mediante apertura del anillo para formar PLA. Este método permite la producción de PLA con un alto peso molecular y una estrecha distribución de pesos moleculares.

4. Refinamiento

• Purificación y ajuste: El PLA se purifica y afina mediante diferentes procesos y condiciones de polimerización para obtener polímeros con diferentes cristalinidades y pesos moleculares. Esto permite adaptar las propiedades del material PLA a las necesidades de diferentes aplicaciones.

En resumen, el proceso de fabricación de los gránulos de PLA no sólo considera el respeto al medio ambiente y la sostenibilidad, sino que también garantiza que el producto final tenga buenas propiedades mecánicas y facilidad de procesamiento. Esta materia prima granular se puede convertir en una variedad de productos industriales y de consumo mediante procesos posteriores de fusión, extrusión u otros procesos de procesamiento, lo que la hace ampliamente utilizada en una variedad de campos.

¿Cuáles son las granulaciones de modificación física del PLA?

Existen muchos métodos para la modificación física y granulación de PLA, que incluyen principalmente modificación de relleno, modificación de mezcla, modificación morfológica y estructural, etc.

Extrusora de doble tornillo PLA >>

Como material biodegradable respetuoso con el medio ambiente, el PLA se utiliza para reemplazar los plásticos tradicionales en el campo de las aplicaciones de embalaje en la vida real, con el fin de reducir costos y aumentar la competitividad del mercado, las aplicaciones más modificadas son la modificación de relleno y la modificación de mezcla, las siguientes se centran en el relleno. Métodos de modificación y modificación de mezcla y sus aplicaciones específicas:

1. Modificación de relleno

• Adición de pequeñas moléculas inorgánicas u orgánicas: Mejora de ciertas propiedades mediante la adición de sustancias orgánicas e inorgánicas de moléculas pequeñas al polímero. Este método es simple y económico y se usa ampliamente para mejorar la resistencia, tenacidad y retardo de llama de los materiales.
• Adición de polímeros: Este método, también conocido como mezcla, modifica las propiedades de la resina original incorporando una o más resinas, incluidos plásticos y cauchos, en una resina. La composición puede mejorar significativamente la compatibilidad y procesabilidad de los materiales.

2. Modificación de la mezcla

• Mezcla de plastificantes: El PLA es un material rígido y la adición de plastificantes como triacetrato, citrato de tributilo, polietilenglicol (PEG), etc., puede mejorar su flexibilidad y resistencia al impacto. Los estudios han demostrado que los plastificantes de citrato pueden reducir eficazmente la temperatura de transición vítrea y mejorar la fragilidad del PLA.
• Mezcla de agentes nucleantes: La adición de agente nucleante al PLA puede acelerar la cristalización y mejorar sus propiedades térmicas y mecánicas. Por ejemplo, el besilato de potasio y los nanocristales de celulosa de superficie modificada pueden mejorar la cristalinidad y las propiedades antimicrobianas del PLA.
• Mezcla de relleno inorgánico: Los silicatos en capas como el caolín y la montmorillonita se mezclan con PLA para preparar materiales compuestos con altas propiedades mecánicas y estabilidad térmica. Por ejemplo, el carbonato de calcio y el PLA modificado con hidroxiapatita exhiben una mayor resistencia a la tracción y una buena biocompatibilidad.
• Mezcla de fibras naturales: El PLA se mezcla con fibras naturales como la fibra de plátano y la fibra de palma de coco, que no sólo pueden mejorar sus propiedades mecánicas, sino también aumentar sus propiedades de degradación. Este material compuesto tiene un excelente rendimiento en términos de estabilidad térmica y módulo de tracción.
• Mezcla con almidón de maíz: la modificación de la mezcla de PLA y almidón (harina de tapioca, harina de ñame, etc.), combinada con otros compatibilizadores y agentes endurecedores, puede mejorar sus propiedades mecánicas, resistencia a la tracción, aumentar sus propiedades de degradación y acortar el tiempo de degradación. Al mismo tiempo, también reduce el coste de las materias primas.

La granulación de modificación física de PLA cubre una variedad de tecnologías, cada una optimizada para diferentes necesidades de aplicación. Estos métodos de modificación no solo mejoran las propiedades integrales del material, sino que también reducen el costo de producción y amplían el rango de aplicación. Al elegir el método de modificación correcto, es necesario considerar factores como el uso final del material, el costo y el impacto ambiental.

Introducción al proceso de producción de gránulos de PLA:

El proceso de producción de pellets de PLA utiliza una extrusora de doble tornillo con una cinta transportadora enfriada por aire para peletizar, y el siguiente es un análisis de los pasos detallados:

1. Pretratamiento de materias primas

• Agitar y calentar: primero agregue almidón, aditivos, etc. a la mezcladora, revuelva y caliente, para que el material se mezcle completamente de manera uniforme, y finalmente agregue PLA y PBAT, continúe revolviendo, la temperatura es de aproximadamente 100 °, el propósito de este paso es: para cambiar la compatibilidad de la superficie del relleno, de modo que el material sea más fácil de dispersar y mezclar en el equipo posterior.

2. Compuesto y extrusión

• Extrusora extrusora de doble tornilloohnorte: Los materiales mezclados se agregan juntos a la extrusora de doble tornillo, y se aprovecha el excelente rendimiento de mezcla de la extrusora de doble tornillo, y los materiales se funden completamente y se distribuyen mezclados en el calentamiento del calentador externo. El material se extruye hasta obtener una sustancia similar a un fideo a través del troquel. La ventaja de una extrusora de doble tornillo es que mezcla, plastifica y extruye materiales de forma continua y eficiente.

3. Enfriamiento y peletización

• Enfriamiento de cinta transportadora enfriada por aire: Los fideos de PLA extruidos se enfrían pasándolos a través de una cinta transportadora enfriada por aire. Este método puede reducir rápidamente la temperatura de las partículas, evitar la adhesión entre las partículas y garantizar la dispersión y calidad de las partículas.
• Al peletizar, los fideos enfriados ingresan al peletizador y los fideos se cortarán en partículas de 3XD3 mm mediante un cortador giratorio de alta velocidad.

4. Tamizado

• Cribado de partículas que cumplan las normas: Finalmente, se tamizan las partículas procesadas y se clasifican y seleccionan los gránulos que cumplen con los estándares y necesitan ser procesados en productos plásticos.

Áreas de aplicación de los gránulos biodegradables de PLA:

Las partículas de PLA, es decir, partículas de ácido poliláctico, son plásticos degradables de base biológica obtenidos por polimerización con ácido láctico como materia prima principal. Debido a sus características de protección ambiental y excelentes propiedades físicas, las partículas PAL se utilizan ampliamente en muchos campos. Las siguientes son las principales áreas de aplicación de las partículas PAL:

1. Campo médico

• Sistema de liberación controlada de fármacos: El PLA tiene buena biocompatibilidad y biodegradabilidad, y la aplicación en portadores de medicamentos puede lograr de manera efectiva una liberación controlada del medicamento, reducir el número de administraciones de medicamentos y mejorar la eficacia.
• Materiales ortopédicos de fijación interna: Los materiales PLA se pueden utilizar para producir tornillos, clavos, varillas y otros materiales ortopédicos de fijación interna, que pueden degradarse gradualmente in vivo, evitando el problema de que los materiales metálicos tradicionales de fijación interna deban retirarse mediante cirugía secundaria.

2. Industria del embalaje

• Envasado de alimentos: Los materiales de envasado de alimentos hechos de gránulos de PLA, como bolsas de plástico, películas, contenedores, etc., tienen buena transparencia y propiedades mecánicas y, al mismo tiempo, se convierten en una solución eficaz para la contaminación blanca debido a su degradabilidad.
• Envases no alimentarios: El PLA también se utiliza en envases no alimentarios, como productos electrónicos y cosméticos, proporcionando opciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente para reducir el impacto ambiental.

3. Industria textil

• Fibras de vestir: Los gránulos de PLA se procesan en fibras que se utilizan en la producción de diversas prendas y textiles. Esta fibra es transpirable y cómoda, además de biodegradable, lo que reduce la huella medioambiental de la industria de la confección.
• Casa de textiles: Por ejemplo, sábanas, cortinas y otros textiles para el hogar también han comenzado a utilizar materiales PLA, que no sólo satisfacen las necesidades de uso sino que también reducen la contaminación ambiental.

4. Agricultura

• Película de mantillo agrícola: La película de mantillo agrícola hecha de partículas de PLA no solo tiene la función de calentamiento y retención de agua de la película de mantillo de plástico tradicional, sino que también puede degradarse naturalmente en el suelo después de su uso, evitando la contaminación a largo plazo del suelo por fragmentos de película de plástico.
• Cuencos y recipientes para guardería: El PLA también se utiliza para fabricar recipientes para plántulas y otros recipientes para plantar, que pueden degradarse directamente después de su uso, lo que reduce el costo y la dificultad de eliminar los recipientes de desechos.

5. Industria de la vajilla

• Vajilla desechable: La vajilla desechable hecha de gránulos de PLA, como tazones, platos, palillos, etc., está reemplazando gradualmente a la vajilla de plástico tradicional con su protección ambiental y características degradables, especialmente en las industrias de comida para llevar y envasado de alimentos.

6. 3D el campo de la impresión

• Materiales de impresión 3D: Las partículas de PLA se han convertido en uno de los materiales más utilizados para la impresión 3D debido a su buena termoplasticidad y adhesión entre capas. Los usuarios pueden imprimir una amplia gama de formas y estructuras complejas bajo demanda para la creación de prototipos, la enseñanza y la fabricación a pequeña escala.

7. Industria electrónica

• Piezas plásticas de dispositivos electrónicos: Las partículas de PLA se utilizan para fabricar piezas de plástico de algunos dispositivos electrónicos debido a sus buenas propiedades de aislamiento y degradabilidad, a fin de reducir la contaminación ambiental y garantizar el rendimiento.

Debido a sus excelentes características de protección ambiental y propiedades físicas, las partículas de PLA se han utilizado ampliamente en muchos campos, como el médico, el embalaje, el textil, la agricultura, la vajilla, la impresión 3D y la electrónica. Con la mejora de la conciencia ambiental global y el avance de la tecnología, las perspectivas de aplicación de las partículas de PLA serán más amplias. En aplicaciones prácticas, se puede seleccionar el método de modificación o composición apropiado de acuerdo con las necesidades específicas para optimizar las propiedades del material para cumplir con los requisitos específicos de diferentes campos.

¿Es seguro el PLA?

Como material biodegradable emergente, la seguridad del ácido poliláctico (PLA) se ha convertido en el centro de atención.

1. Biocompatible

• Aplicaciones biomédicas: El PLA ha demostrado su excelente biocompatibilidad en una amplia gama de aplicaciones biomédicas, como la producción de aparatos de infusión desechables y suturas quirúrgicas que no se desmontan.
• Biodegradabilidad: El PLA puede ser completamente degradado por microorganismos en la naturaleza después de su uso y finalmente generar dióxido de carbono y agua, lo que no contamina el medio ambiente, lo cual es muy beneficioso para la protección del medio ambiente y es reconocido como un material respetuoso con el medio ambiente.

2. Propiedades físicas y químicas

• Estabilidad: El PLA tiene buena estabilidad térmica, amplio rango de temperaturas de procesamiento (170~230°C) y buena resistencia a los solventes.
• Propiedades mecánicas: El PLA tiene buenas propiedades mecánicas, como resistencia a la tracción, alargamiento de rotura y resistencia al impacto, lo que lo hace adecuado para una variedad de métodos de procesamiento.

3. Seguridad durante el procesamiento y uso

• Seguridad en el procesamiento: El PLA se puede procesar mediante extrusión, hilado, estiramiento biaxial, moldeo por inyección-soplado y otros métodos, y no es tóxico e inofensivo durante el procesamiento.
• Seguridad de uso: Los productos PLA no liberan sustancias nocivas durante el uso, como envases de alimentos, loncheras de comida rápida, etc., y son inofensivos para el cuerpo humano.

4. Impacto ambiental

• Degradabilidad: El PLA se puede degradar completamente en el medio natural, evitando la contaminación ambiental que provocan los plásticos tradicionales.
• Huella de carbono: En comparación con los plásticos a base de petróleo, el PLA, como plástico de origen biológico, tiene una menor huella de carbono durante la producción y el uso, lo que ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

5. Retardante de llama y toxicidad del humo.

• Retardante de llama: El PLA tiene un cierto grado de retardo de llama, lo que puede frenar la propagación del fuego hasta cierto punto.
• Toxicidad de los gases de combustión: Los gases de combustión producidos durante la combustión del PLA tienen una toxicidad relativamente baja y son menos dañinos para el cuerpo humano.

6. Seguridad en contacto con la piel y uso a largo plazo.

• Seguridad del contacto piel con piel: Los productos PLA no causarán irritación ni reacciones alérgicas incluso si están en contacto directo con la piel.
• Seguridad de uso a largo plazo: Los productos PLA tienen un rendimiento estable durante el uso prolongado y no liberan sustancias nocivas debido al envejecimiento.

En resumen, la seguridad del PLA ha sido ampliamente reconocida y ha demostrado una buena seguridad en términos de biocompatibilidad, propiedades físicas y químicas, procesamiento y uso, impacto ambiental, retardo de llama y toxicidad de los gases de combustión. Al mismo tiempo, el PLA tiene amplias perspectivas de aplicación, no solo en el campo biomédico, sino también en el embalaje de la vida diaria, la industria textil y otras industrias que también muestran un gran potencial. Con el avance de la tecnología y la expansión de la capacidad de producción, se espera que el PLA se convierta en una fuerza importante para reemplazar los plásticos tradicionales, contribuyendo a la realización del desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente.