Productie en toepassing van biologisch afbreekbaar materiaal van maïszetmeel met PLA-gebaseerd

Wat is PLA-materiaal?

Polymelkzuur (PLA) is een polyesterpolymeer dat wordt verkregen door polymerisatie met melkzuur als belangrijkste grondstof. Het wordt meestal gemaakt van zetmeel dat wordt gewonnen uit hernieuwbare plantaardige bronnen (zoals maïs, cassave, enz.).

PLA-materialen worden veel gebruikt op het gebied van 3D-printen vanwege hun milieuvriendelijke eigenschappen en hun eenvoudige verwerkingsvoordelen. De grondstoffen zijn afkomstig van hernieuwbare bronnen, wat niet alleen de afhankelijkheid van traditionele petrochemische bronnen vermindert, maar ook een lage CO2-voetafdruk in het productieproces vertoont. PLA heeft een goede luchtdoorlatendheid en transparantie en kan op verschillende manieren worden verwerkt, waaronder extrusie, spinnen, spuitgieten, enz. Dit materiaal is zeer biocompatibel, niet-toxisch voor het menselijk lichaam en kan zelfs door het menselijk lichaam worden opgenomen, dus het heeft ook een breed scala aan toepassingsmogelijkheden in de medische sector.

Bovendien zijn de hittebestendigheid en mechanische eigenschappen van PLA niet zo goed als die van sommige technische kunststoffen, maar de treksterkte en buigmodulus zijn voldoende om te voldoen aan de behoeften van dagelijks gebruik. PLA heeft bijvoorbeeld geleidelijk traditionele kunststoffen vervangen in voedselcontainers, verpakkingsmaterialen en sommige duurzame consumptiegoederen. PLA is ook goed afbreekbaar en wordt afgebroken door micro-organismen in de bodem om koolstofdioxide en water te produceren, wat op de lange termijn geen vervuiling van het milieu veroorzaakt.

Over het algemeen wordt PLA beschouwd als een ideale duurzame materiaalkeuze vanwege de milieuvriendelijke, biologisch afbreekbare en multifunctionele eigenschappen. In de toekomst, met de vooruitgang van wetenschap en technologie en de verbetering van het milieubewustzijn, wordt verwacht dat het toepassingsgebied van PLA verder zal worden uitgebreid.

PLA-korrels, ook bekend als polymelkzuurkorrels, zijn de basisgrondstoffen voor de productie van polymelkzuur (PLA)-producten.

De productie van PLA-granulaat omvat verschillende belangrijke stappen die ervoor zorgen dat het eindproduct uitstekende biologische afbreekbaarheid en mechanische eigenschappen heeft. Elke stap van het productieproces, van de selectie van grondstoffen tot de uiteindelijke polymerisatie, is cruciaal. De productiemethode van PLA-granulaat wordt hieronder in detail beschreven:

1. Ingrediënten

• Verkrijging van grondstoffen: De productie van PLA begint met de selectie van plantaardige grondstoffen zoals maïszetmeel en cassave. Deze worden geplet en het zetmeel wordt eruit gehaald.
• Versuikeringsproces: Het geëxtraheerde zetmeel wordt omgezet in glucose door middel van versuikering. Dit gebeurt door enzymen en andere chemicaliën te mengen en te verhitten.

2. Ferment

• Melkzuurfermentatie: Vervolgens wordt glucose omgezet in melkzuur met behulp van een microbieel fermentatieproces. In dit proces wordt glucose gefermenteerd om melkzuur met een hoge zuiverheid te produceren.

3. Synthese van PLA

• Directe polycondensatiemethode: In aanwezigheid van een dehydratiemiddel worden melkzuurmoleculen direct gecondenseerd en gepolymeriseerd tot oligomeren door thermische dehydratie. Vervolgens worden ketenverlengers toegevoegd om PLA met een hoog moleculair gewicht te genereren.
• Tweestapsmethode: melkzuur wordt eerst omgezet in cyclisch dimerisch lactide en vervolgens gepolymeriseerd door ringopening om PLA te vormen. Deze methode maakt de productie van PLA met een hoog moleculair gewicht en een smalle moleculaire gewichtsverdeling mogelijk.

4. Verfijning

• Zuivering en aanpassing: PLA wordt gezuiverd en nauwkeurig afgestemd via verschillende polymerisatieprocessen en -omstandigheden om polymeren te verkrijgen met verschillende kristalliniteit en molecuulgewichten. Hierdoor kunnen de eigenschappen van het PLA-materiaal worden aangepast aan de behoeften van verschillende toepassingen.

Samenvattend houdt het productieproces van PLA-korrels niet alleen rekening met milieuvriendelijkheid en duurzaamheid, maar zorgt het er ook voor dat het eindproduct goede mechanische eigenschappen heeft en gemakkelijk te verwerken is. Deze korrelige grondstof kan worden verwerkt tot een verscheidenheid aan industriële en consumentenproducten door middel van daaropvolgende smelting, extrusie of andere verwerkingsprocessen, waardoor het op grote schaal wordt gebruikt in een verscheidenheid aan velden.

Wat zijn de fysieke modificatiegranulaten van PLA?

Er zijn veel methoden voor de fysieke modificatie en granulatie van PLA, waaronder voornamelijk: vullingsmodificatie, mengmodificatie, morfologische en structurele modificatie, enz.

PLA-dubbelschroefsextruder >>

PLA wordt als milieuvriendelijk biologisch afbreekbaar materiaal gebruikt ter vervanging van traditionele kunststoffen in verpakkingstoepassingen in de praktijk. Om de kosten te verlagen en de concurrentiekracht op de markt te vergroten, zijn de meest gemodificeerde toepassingen vulmodificatie en mengmodificatie. Hieronder wordt ingegaan op vulmodificatie- en mengmodificatiemethoden en hun specifieke toepassingen:

1. Vul wijziging in

• Toevoeging van kleine anorganische of organische moleculen: Verbetering van bepaalde eigenschappen door kleine moleculaire anorganische of organische stoffen aan het polymeer toe te voegen. Deze methode is eenvoudig en goedkoop, en wordt veel gebruikt om de sterkte, taaiheid en vlamvertraging van materialen te verbeteren.
• Toevoeging van polymeren: Deze methode, ook wel blending genoemd, wijzigt de eigenschappen van de originele hars door een of meer andere harsen, waaronder kunststoffen en rubbers, in één hars te verwerken. Compounding kan de compatibiliteit en verwerkbaarheid van materialen aanzienlijk verbeteren.

2. Blending-modificatie

• Weekmakermenging: PLA is een stijf materiaal en de toevoeging van weekmakers zoals triacetaat, tributylcitraat, polyethyleenglycol (PEG), etc., kan de flexibiliteit en slagvastheid verbeteren. Studies hebben aangetoond dat citraatweekmakers effectief de glasovergangstemperatuur kunnen verlagen en de brosheid van PLA kunnen verbeteren.
• Mengen van nucleatiemiddelen: De toevoeging van nucleërend middel aan PLA kan de kristallisatie versnellen en de thermische en mechanische eigenschappen ervan verbeteren. Kaliumbesylaat en oppervlaktegemodificeerde cellulose nanokristallen kunnen bijvoorbeeld de kristalliniteit en antimicrobiële eigenschappen van PLA verbeteren.
• Mengen van anorganische vulstoffen: Gelaagde silicaten zoals kaolien en montmorilloniet worden gemengd met PLA om composietmaterialen te bereiden met hoge mechanische eigenschappen en thermische stabiliteit. Bijvoorbeeld, calciumcarbonaat en hydroxyapatiet-gemodificeerd PLA vertonen hogere treksterkte en goede biocompatibiliteit.
• Natuurlijke vezelmengeling: PLA wordt gemengd met natuurlijke vezels zoals bananenvezels en kokospalmvezels, die niet alleen de mechanische eigenschappen kunnen verbeteren, maar ook de degradatie-eigenschappen kunnen verhogen. Dit composietmateriaal heeft uitstekende prestaties op het gebied van thermische stabiliteit en trekmodulus.
• Mengen met maïszetmeel: PLA en zetmeel (tapiocameel, yammeel, etc.) mengmodificatie, gecombineerd met andere compatibilizers en verstevigingsmiddelen, kan de mechanische eigenschappen, treksterkte verbeteren, de degradatie-eigenschappen verhogen en de degradatietijd verkorten. Tegelijkertijd verlaagt het ook de kosten van grondstoffen.

De fysieke modificatiegranulatie van PLA omvat een verscheidenheid aan technologieën, elk geoptimaliseerd voor verschillende toepassingsbehoeften. Deze modificatiemethoden verbeteren niet alleen de uitgebreide eigenschappen van het materiaal, maar verlagen ook de productiekosten en breiden het toepassingsbereik uit. Bij het kiezen van de juiste modificatiemethode is het noodzakelijk om factoren te overwegen zoals het eindgebruik van het materiaal, de kosten en de impact op het milieu.

Inleiding tot het productieproces van PLA-korrels:

Bij het productieproces van PLA-pellets wordt gebruikgemaakt van een dubbelschroefsextruder met een luchtgekoelde transportband om de pellets te produceren. Hieronder volgt een gedetailleerde analyse van de stappen:

1. Voorbehandeling van grondstoffen

• Roeren en verwarmen: Voeg eerst zetmeel, additieven, enz. toe aan de mixer, roer en verwarm, zodat het materiaal volledig gelijkmatig wordt gemengd, en voeg ten slotte PLA en PBAT toe, blijf roeren, de temperatuur is ongeveer 100°, het doel van deze stap is: de oppervlaktecompatibiliteit van de vulstof te veranderen, zodat het materiaal gemakkelijker te dispergeren en te mengen is in de latere apparatuur.

2. Compounding en extrusie

• Extrusie met dubbele schroefextruderON: De gemengde materialen worden samen aan de dubbelschroefextruder toegevoegd en de uitstekende mengprestaties van de dubbelschroefextruder worden gebruikt en de materialen worden volledig gesmolten en verdeeld gemengd in de verwarming van de externe verwarmer. Het materiaal wordt geëxtrudeerd tot een noedelachtige substantie door de matrijs. Het voordeel van een dubbelschroefextruder is dat het materialen continu en efficiënt mengt, plastificeert en extrudeert

3. Koelen en pelletiseren

• Luchtgekoelde transportbandkoeling: De geëxtrudeerde PLA-noedels worden gekoeld door ze door een luchtgekoelde transportband te leiden. Deze methode kan de temperatuur van de deeltjes snel verlagen, adhesie tussen de deeltjes voorkomen en de dispersie en kwaliteit van de deeltjes garanderen.
• Pelletiseren, de gekoelde noedels gaan de pelletiseerder in en de noedels worden door een roterende snijder met hoge snelheid in deeltjes van 3 x 3 mm gesneden

4. Zeven

• Zeefvorming van deeltjes die voldoen aan de normen: Tot slot worden de verwerkte deeltjes gezeefd en worden de korrels die aan de normen voldoen en verder verwerkt moeten worden tot kunststofproducten, gesorteerd en geselecteerd.

Toepassingsgebieden van biologisch afbreekbare PLA-korrels:

PLA-deeltjes, oftewel polymelkzuurdeeltjes, zijn biobased afbreekbare kunststoffen die worden verkregen door polymerisatie met melkzuur als belangrijkste grondstof. Vanwege de milieubeschermende eigenschappen en uitstekende fysieke eigenschappen worden PAL-deeltjes op veel gebieden veel gebruikt. Hieronder volgen de belangrijkste toepassingsgebieden van PAL-deeltjes:

1. Medisch gebied

• Systeem met gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen: PLA heeft een goede biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid. Door de toepassing in medicijndragers kan het medicijn effectief worden gecontroleerd afgegeven, het aantal toedieningen van het medicijn worden verminderd en de werkzaamheid worden verbeterd.
• Orthopedische interne fixatiematerialen: PLA-materialen kunnen worden gebruikt voor de productie van schroeven, spijkers, staven en andere orthopedische materialen voor interne fixatie. Deze materialen kunnen in vivo geleidelijk worden afgebroken, waardoor het probleem wordt vermeden dat traditionele metalen materialen voor interne fixatie door middel van een secundaire operatie moeten worden verwijderd.

2. Verpakkingsindustrie

• Voedselverpakking: Voedselverpakkingsmaterialen gemaakt van PLA-korrels, zoals plastic zakken, folies, containers, etc., hebben een goede transparantie en mechanische eigenschappen en vormen tegelijkertijd een effectieve oplossing tegen witte vervuiling vanwege hun afbreekbaarheid.
• Verpakkingen voor niet-voedingsmiddelen: PLA wordt ook gebruikt in verpakkingen voor andere doeleinden dan voedingsmiddelen, zoals elektronica en cosmetica. Het biedt duurzame en milieuvriendelijke opties om de impact op het milieu te verminderen.

3. Textielindustrie

• Kledingvezels: PLA-pellets worden verwerkt tot vezels die worden gebruikt bij de productie van verschillende kleding en textiel. Deze vezel is ademend en comfortabel, terwijl het biologisch afbreekbaar is, waardoor de ecologische voetafdruk van de kledingindustrie wordt verkleind.
• Huistextiel: Zo worden er bijvoorbeeld ook steeds meer PLA-materialen gebruikt voor beddengoed, gordijnen en ander huishoudtextiel. Deze materialen voldoen niet alleen aan de gebruiksbehoeften, maar verminderen ook de milieuvervuiling.

4. Landbouw

• Landbouwmulchfolie: De landbouwmulchfolie van PLA-deeltjes heeft niet alleen de verwarmende en watervasthoudende functie van traditionele plastic mulchfolie, maar kan na gebruik ook op natuurlijke wijze in de bodem worden afgebroken. Hierdoor wordt langdurige vervuiling van de bodem door plasticfoliefragmenten voorkomen.
• Kweekbakken en -schalen: PLA wordt ook gebruikt voor de productie van zaailingbakken en andere plantenbakken. Deze bakken kunnen na gebruik direct worden afgebroken, waardoor de kosten en de moeilijkheidsgraad van het afvoeren van afvalbakken worden verlaagd.

5. Tafelgerei-industrie

• Wegwerpservies: Wegwerpserviesgoed van PLA-korrels, zoals kommen, borden, eetstokjes en dergelijke, vervangt geleidelijk traditioneel plastic serviesgoed vanwege de milieuvriendelijke en afbreekbare eigenschappen, vooral in de afhaal- en voedselverpakkingsindustrie.

6. 3D het gebied van printen

• 3D-printmaterialen: PLA-deeltjes zijn een van de meest gebruikte materialen voor 3D-printen geworden vanwege hun goede thermoplasticiteit en hechting tussen de lagen. Gebruikers kunnen een breed scala aan complexe vormen en structuren op aanvraag printen voor prototyping, onderwijs en kleinschalige productie.

7. Elektronica-industrie

• Kunststof onderdelen van elektronische apparaten: PLA-deeltjes worden gebruikt voor de productie van kunststofonderdelen voor bepaalde elektronische apparaten vanwege hun goede isolerende eigenschappen en afbreekbaarheid. Zo wordt de vervuiling van het milieu verminderd en blijven de prestaties gewaarborgd.

Vanwege de uitstekende milieubeschermingskenmerken en fysieke eigenschappen worden PLA-deeltjes op grote schaal gebruikt in veel sectoren, zoals de medische sector, verpakkingsindustrie, textiel, landbouw, servies, 3D-printen en elektronica. Met de verbetering van het wereldwijde milieubewustzijn en de vooruitgang van de technologie, zal het toepassingsperspectief van PLA-deeltjes breder zijn. In praktische toepassingen kan de geschikte modificatie- of compounderingsmethode worden geselecteerd op basis van de specifieke behoeften om de materiaaleigenschappen te optimaliseren om te voldoen aan de specifieke vereisten van verschillende sectoren.

Is PLA veilig?

Omdat polymelkzuur (PLA) een opkomend biologisch afbreekbaar materiaal is, is de veiligheid ervan steeds belangrijker geworden.

1. Biocompatibel

• Biomedische toepassingen: PLA heeft zijn uitstekende biocompatibiliteit bewezen in een breed scala aan biomedische toepassingen, zoals de productie van wegwerpinfuussystemen en niet-demonteerbare chirurgische hechtingen.
• Biologische afbreekbaarheid: PLA kan na gebruik volledig worden afgebroken door micro-organismen in de natuur en genereert uiteindelijk koolstofdioxide en water, wat het milieu niet vervuilt. Dit is zeer gunstig voor de bescherming van het milieu en wordt erkend als een milieuvriendelijk materiaal.

2. Fysische en chemische eigenschappen

• Stabiliteit: PLA heeft een goede thermische stabiliteit, een breed verwerkingstemperatuurbereik (170~230°C) en is goed bestand tegen oplosmiddelen.
• Mechanische eigenschappen: PLA heeft goede mechanische eigenschappen, zoals treksterkte, breukrek en slagvastheid, waardoor het geschikt is voor diverse verwerkingsmethoden.

3. Veiligheid tijdens verwerking en gebruik

• Verwerkingsveiligheid: PLA kan worden verwerkt door middel van extrusie, spinnen, biaxiaal rekken, spuitgieten en andere methoden. Het is niet giftig en onschadelijk tijdens de verwerking.
• Veiligheid bij gebruik: PLA-producten geven geen schadelijke stoffen af tijdens het gebruik, zoals in voedselverpakkingen, lunchboxen van fastfood etc., en zijn onschadelijk voor het menselijk lichaam.

4. Milieu-impact

• Afbreekbaarheid: PLA kan volledig worden afgebroken in het natuurlijke milieu, waardoor de milieuvervuiling die wordt veroorzaakt door traditionele kunststoffen, wordt vermeden.
• CO2-voetafdruk: Vergeleken met kunststoffen op basis van aardolie heeft PLA als biobased plastic een kleinere CO2-voetafdruk tijdens de productie en het gebruik, wat bijdraagt aan een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen.

5. Vlamvertragend en rookvergiftigend

• Vlamvertragend: PLA heeft een bepaalde mate van vlamvertraging, waardoor de verspreiding van vuur tot op zekere hoogte kan worden vertraagd.
• Rookgastoxiciteit: De rookgassen die bij de verbranding van PLA vrijkomen, zijn relatief weinig giftig en minder schadelijk voor de mens.

6. Veiligheid bij huidcontact en langdurig gebruik

• Veiligheid bij huid-op-huidcontact: PLA-producten veroorzaken geen irritatie of allergische reacties, zelfs niet bij direct contact met de huid.
• Veiligheid bij langdurig gebruik: PLA-producten leveren stabiele prestaties bij langdurig gebruik en geven geen schadelijke stoffen af door veroudering.

Samenvattend is de veiligheid van PLA breed erkend en heeft het een goede veiligheid laten zien in termen van biocompatibiliteit, fysieke en chemische eigenschappen, verwerking en gebruik, milieu-impact, vlamvertraging en rookgastoxiciteit. Tegelijkertijd heeft PLA brede toepassingsmogelijkheden, niet alleen in het biomedische veld, maar ook in de dagelijkse verpakkings-, textiel- en andere industrieën die ook een groot potentieel vertonen. Met de vooruitgang van de technologie en de uitbreiding van de productiecapaciteit, wordt verwacht dat PLA een belangrijke kracht zal worden om traditionele kunststoffen te vervangen, wat bijdraagt aan de realisatie van duurzame ontwikkeling en milieubescherming.