Produkcja i zastosowanie biodegradowalnego materiału na bazie skrobi kukurydzianej z PLA

Czym jest materiał PLA?

Kwas polimlekowy (PLA) to polimer poliestrowy otrzymywany w procesie polimeryzacji z wykorzystaniem kwasu mlekowego jako głównego surowca, który zwykle wytwarza się ze skrobi pozyskiwanej z odnawialnych zasobów roślinnych (takich jak kukurydza, maniok itp.).

Materiały PLA są szeroko stosowane w dziedzinie druku 3D ze względu na ich właściwości ochrony środowiska i łatwość obsługi. Ich surowce pochodzą ze źródeł odnawialnych, co nie tylko zmniejsza zależność od tradycyjnych zasobów petrochemicznych, ale także wykazuje niski ślad węglowy w procesie produkcyjnym. PLA ma dobrą przepuszczalność powietrza i przezroczystość i może być przetwarzany na wiele sposobów, w tym wytłaczanie, przędzenie, formowanie wtryskowe z rozdmuchem itp. Materiał ten jest wysoce biokompatybilny, nietoksyczny dla organizmu ludzkiego i może być nawet wchłaniany przez organizm ludzki, więc ma również szeroki zakres perspektyw zastosowania w medycynie.

Ponadto, chociaż odporność na ciepło i właściwości mechaniczne PLA nie są tak dobre jak niektórych tworzyw konstrukcyjnych, jego wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości przy zginaniu są wystarczające, aby sprostać potrzebom codziennego użytku. Na przykład PLA stopniowo zastąpił tradycyjne tworzywa sztuczne w pojemnikach na żywność, materiałach opakowaniowych i niektórych artykułach konsumpcyjnych trwałego użytku. PLA ma również dobrą biodegradowalność i jest rozkładany przez mikroorganizmy w glebie, wytwarzając dwutlenek węgla i wodę, które nie powodują długotrwałego zanieczyszczenia środowiska.

Ogólnie rzecz biorąc, PLA jest uważany za idealny wybór zrównoważonego materiału ze względu na jego przyjazne dla środowiska, biodegradowalne i wielofunkcyjne właściwości. W przyszłości, wraz z postępem nauki i technologii oraz poprawą świadomości ekologicznej, oczekuje się dalszego rozszerzenia zakresu zastosowań PLA.

Granulki PLA, znane również jako granulki kwasu polimlekowego, są podstawowymi surowcami do produkcji wyrobów na bazie kwasu polimlekowego (PLA).

Produkcja granulatu PLA obejmuje kilka ważnych etapów, które zapewniają, że produkt końcowy ma doskonałą biodegradowalność i właściwości mechaniczne. Każdy etap procesu produkcyjnego, od wyboru surowców po końcową polimeryzację, jest kluczowy. Metoda produkcji granulatu PLA jest szczegółowo opisana poniżej:

1. Składniki

• Pozyskiwanie surowców: Produkcja PLA rozpoczyna się od wyselekcjonowania surowców roślinnych, takich jak skrobia kukurydziana i maniok, które są rozdrabniane, a następnie ekstrahowana jest skrobia.
• Proces sacharyfikowania: Wyekstrahowana skrobia zostaje przekształcona w glukozę poprzez scukrzanie, które odbywa się przez zmieszanie i podgrzanie enzymów oraz innych substancji chemicznych.

2. Ferment

• Fermentacja kwasu mlekowego: Następnie glukoza jest przekształcana w kwas mlekowy za pomocą procesu fermentacji mikrobiologicznej. W tym procesie glukoza jest fermentowana w celu wytworzenia kwasu mlekowego o wysokiej czystości.

3. Synteza PLA

• Metoda polikondensacji bezpośredniej: W obecności środka odwadniającego cząsteczki kwasu mlekowego ulegają bezpośredniej kondensacji i polimeryzacji w oligomery poprzez odwodnienie termiczne, a następnie dodawane są przedłużacze łańcucha w celu wytworzenia PLA o dużej masie cząsteczkowej.
• Metoda dwuetapowa: kwas mlekowy jest najpierw przekształcany w cykliczny dimer laktyd, a następnie polimeryzowany przez otwarcie pierścienia, tworząc PLA. Ta metoda umożliwia produkcję PLA o dużej masie cząsteczkowej i wąskim rozkładzie masy cząsteczkowej.

4. Udoskonalenie

• Oczyszczanie i regulacja: PLA jest oczyszczany i precyzyjnie dostrajany poprzez różne procesy polimeryzacji i warunki, aby uzyskać polimery o różnej krystaliczności i masie cząsteczkowej. Pozwala to na dostosowanie właściwości materiału PLA do potrzeb różnych zastosowań.

Podsumowując, proces produkcji granulatu PLA nie tylko bierze pod uwagę przyjazność dla środowiska i zrównoważony rozwój, ale także zapewnia, że produkt końcowy ma dobre właściwości mechaniczne i łatwość przetwarzania. Ten granulowany surowiec może być przetwarzany w różne produkty przemysłowe i konsumenckie poprzez późniejsze topienie, wytłaczanie lub inne procesy przetwarzania, dzięki czemu jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach.

Jakie są granulacje modyfikacji fizycznej PLA?

Istnieje wiele metod fizycznej modyfikacji i granulacji PLA, w tym głównie: modyfikacja wypełnień, modyfikacja mieszanek, modyfikacja morfologiczna i strukturalna itp.

Ekstruder dwuślimakowy PLA >>

Jako przyjazny dla środowiska materiał biodegradowalny, PLA jest stosowany w praktyce w celu zastąpienia tradycyjnych tworzyw sztucznych w zastosowaniach opakowaniowych, w celu obniżenia kosztów i zwiększenia konkurencyjności rynkowej. Najczęściej modyfikowanymi zastosowaniami są modyfikacja wypełnień i modyfikacja mieszanek. Poniżej przedstawiono metody modyfikacji wypełnień i modyfikacji mieszanek oraz ich konkretne zastosowania:

1. Wypełnij modyfikację

• Dodatek małych cząsteczek nieorganicznych lub organicznych: Poprawa niektórych właściwości poprzez dodanie do polimeru małych cząsteczek nieorganicznych lub organicznych substancji. Ta metoda jest prosta i niedroga, a także jest szeroko stosowana w celu poprawy wytrzymałości, twardości i ognioodporności materiałów.
• Dodatek polimerów: Ta metoda, znana również jako mieszanie, modyfikuje właściwości oryginalnej żywicy poprzez włączenie jednej lub więcej innych żywic, w tym tworzyw sztucznych i gumy, do jednej żywicy. Compounding może znacznie poprawić kompatybilność i przetwarzalność materiałów.

2. Modyfikacja mieszania

• Mieszanie plastyfikatorów: PLA jest materiałem sztywnym, a dodanie plastyfikatorów, takich jak triacetrat, cytrynian tributylu, glikol polietylenowy (PEG) itp., może poprawić jego elastyczność i odporność na uderzenia. Badania wykazały, że plastyfikatory cytrynianowe mogą skutecznie obniżyć temperaturę zeszklenia i poprawić kruchość PLA.
• Mieszanie środków nukleujących: Dodanie środka zarodkującego do PLA może przyspieszyć krystalizację i poprawić jego właściwości termiczne i mechaniczne. Na przykład besylan potasu i nanokryształy celulozy o zmodyfikowanej powierzchni mogą poprawić krystaliczność i właściwości przeciwdrobnoustrojowe PLA.
• Mieszanie wypełniaczy nieorganicznych: Warstwowe krzemiany, takie jak kaolin i montmorylonit, są mieszane z PLA w celu przygotowania materiałów kompozytowych o wysokich właściwościach mechanicznych i stabilności termicznej. Na przykład węglan wapnia i modyfikowany hydroksyapatytem PLA wykazują wyższą wytrzymałość na rozciąganie i dobrą biokompatybilność.
• Mieszanka włókien naturalnych: PLA jest mieszany z włóknami naturalnymi, takimi jak włókno bananowe i włókno palmy kokosowej, co może nie tylko poprawić jego właściwości mechaniczne, ale także zwiększyć jego właściwości degradacyjne. Ten materiał kompozytowy ma doskonałe właściwości pod względem stabilności termicznej i modułu rozciągania.
• Mieszanie ze skrobią kukurydzianą: modyfikacja mieszania PLA i skrobi (mąki z tapioki, mączki z batatów itp.) w połączeniu z innymi kompatybilizatorami i środkami wzmacniającymi może poprawić jego właściwości mechaniczne, wytrzymałość na rozciąganie, zwiększyć jego właściwości degradacyjne i skrócić czas degradacji. Jednocześnie obniża również koszt surowców.

Granulacja fizycznej modyfikacji PLA obejmuje szereg technologii, z których każda jest zoptymalizowana pod kątem różnych potrzeb aplikacji. Te metody modyfikacji nie tylko poprawiają kompleksowe właściwości materiału, ale także obniżają koszty produkcji i rozszerzają zakres zastosowań. Wybierając właściwą metodę modyfikacji, należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak końcowe zastosowanie materiału, koszt i wpływ na środowisko.

Wprowadzenie do procesu produkcji granulatu PLA:

Proces produkcji granulatu PLA polega na wykorzystaniu wytłaczarki dwuślimakowej z chłodzoną powietrzem taśmą transportową do granulacji. Poniżej przedstawiono szczegółową analizę poszczególnych etapów:

1. Wstępna obróbka surowców

• Mieszanie i ogrzewanie: Najpierw dodaj skrobię, dodatki itp. do miksera, wymieszaj i podgrzej, tak aby materiał był równomiernie wymieszany, a na końcu dodaj PLA i PBAT, kontynuuj mieszanie, temperatura wynosi około 100°. Celem tego kroku jest: zmiana kompatybilności powierzchni wypełniacza, tak aby materiał był łatwiejszy do rozproszenia i wymieszania w późniejszym sprzęcie.

2. Mieszanie i wytłaczanie

• Wytłaczarka dwuślimakowaoN: Wymieszane materiały są dodawane do wytłaczarki dwuślimakowej razem, a doskonała wydajność mieszania wytłaczarki dwuślimakowej jest wykorzystywana, a materiały są całkowicie topione i rozprowadzane w postaci wymieszanej w ogrzewaniu zewnętrznego podgrzewacza. Materiał jest wytłaczany do substancji przypominającej makaron przez matrycę. Zaletą wytłaczarki dwuślimakowej jest to, że miesza, uplastycznia i wytłacza materiały w sposób ciągły i wydajny

3. Chłodzenie i peletyzacja

• Chłodzenie taśmy przenośnika chłodzone powietrzem: Wytłaczane makarony PLA są chłodzone poprzez przepuszczanie ich przez chłodzony powietrzem przenośnik taśmowy. Ta metoda może szybko obniżyć temperaturę cząstek, zapobiec przyleganiu między cząstkami i zapewnić dyspersję i jakość cząstek.
• Po peletyzacji schłodzone makarony trafiają do granulatora, gdzie są cięte na cząstki o rozmiarze 3XD3mm przez szybkoobrotowy obrotowy nóż

4. Przesiewanie

• Badanie cząstek spełniających normy: Na koniec przetworzone cząstki są przesiewane, a granulki spełniające normy i wymagające dalszego przetworzenia na produkty z tworzyw sztucznych są sortowane i selekcjonowane.

Obszary zastosowań biodegradowalnych granulek PLA:

Cząsteczki PLA, tj. cząstki kwasu polimlekowego, to biodegradowalne tworzywa sztuczne pochodzenia biologicznego, otrzymywane przez polimeryzację, w której głównym surowcem jest kwas mlekowy. Ze względu na swoje właściwości ochrony środowiska i doskonałe właściwości fizyczne, cząstki PAL są szeroko stosowane w wielu dziedzinach. Poniżej przedstawiono główne obszary zastosowań cząstek PAL:

1. Dziedzina medyczna

• System kontrolowanego uwalniania leku: PLA charakteryzuje się dobrą biozgodnością i biodegradowalnością, a jego zastosowanie w nośnikach leków pozwala na skuteczne osiągnięcie kontrolowanego uwalniania leku, zmniejszenie liczby podań leku i poprawę jego skuteczności.
• Materiały do stabilizacji wewnętrznej w ortopedii: Materiały PLA można stosować do produkcji śrub, gwoździ, prętów i innych materiałów do wewnętrznego mocowania ortopedycznego, które mogą ulegać stopniowej degradacji in vivo, co pozwala uniknąć problemu związanego z koniecznością usuwania tradycyjnych metalowych materiałów do wewnętrznego mocowania podczas zabiegu chirurgicznego.

2. Przemysł opakowaniowy

• Opakowania żywnościowe: Materiały do pakowania żywności wykonane z granulatu PLA, takie jak torby plastikowe, folie, pojemniki itp., charakteryzują się dobrą przejrzystością i właściwościami mechanicznymi, a jednocześnie stanowią skuteczne rozwiązanie problemu białego zanieczyszczenia ze względu na swoją biodegradowalność.
• Opakowania inne niż spożywcze: PLA stosuje się również w opakowaniach produktów innych niż spożywcze, np. urządzeń elektronicznych i kosmetyków, co stanowi zrównoważone i przyjazne dla środowiska rozwiązanie pozwalające ograniczyć negatywny wpływ na środowisko.

3. Przemysł tekstylny

• Włókna odzieżowe: Granulki PLA są przetwarzane na włókna, które są wykorzystywane w produkcji różnych ubrań i tekstyliów. Włókno to jest oddychające i wygodne, a jednocześnie biodegradowalne, co zmniejsza ślad środowiskowy przemysłu odzieżowego.
• Tekstylia domowe: Przykładowo, w pościeli, zasłonach i innych tekstyliach domowych zaczęto stosować materiały PLA, które nie tylko spełniają potrzeby użytkowe, ale również redukują zanieczyszczenie środowiska.

4. Rolnictwo

• Folia ściółkująca rolnicza: Folia ściółkująca do stosowania w rolnictwie, wykonana z cząsteczek PLA, nie tylko posiada właściwości grzewcze i zatrzymuje wodę jak tradycyjna folia ściółkująca z tworzywa sztucznego, ale również ulega naturalnemu rozkładowi w glebie po użyciu, co pozwala uniknąć długotrwałego zanieczyszczenia gleby fragmentami folii.
• Miski i pojemniki do żłobka: PLA wykorzystuje się również do produkcji misek na sadzonki i innych pojemników do sadzenia, które po użyciu mogą ulec bezpośredniemu rozkładowi, co zmniejsza koszty i trudności związane z utylizacją pojemników.

5. Przemysł stołowy

• Naczynia jednorazowe: Jednorazowe naczynia stołowe wykonane z granulatu PLA, takie jak miski, talerze, pałeczki itp., stopniowo zastępują tradycyjne plastikowe naczynia stołowe, ponieważ są przyjazne dla środowiska i ulegają degradacji, zwłaszcza w branży gastronomicznej i opakowań do żywności.

6. 3D – dziedzina druku

• Materiały do druku 3D: Cząsteczki PLA stały się jednym z najczęściej używanych materiałów do druku 3D ze względu na ich dobrą termoplastyczność i przyczepność międzywarstwową. Użytkownicy mogą drukować szeroką gamę złożonych kształtów i struktur na żądanie do prototypowania, nauczania i produkcji na małą skalę.

7. Przemysł elektroniczny

• Części plastikowe urządzeń elektronicznych: Cząsteczki PLA są wykorzystywane do produkcji plastikowych części niektórych urządzeń elektronicznych ze względu na ich dobre właściwości izolacyjne i podatność na degradację, co przyczynia się do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności.

Ze względu na doskonałe właściwości ochrony środowiska i właściwości fizyczne, cząstki PLA są szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak medycyna, opakowania, tekstylia, rolnictwo, zastawa stołowa, druk 3D i elektronika. Wraz ze wzrostem globalnej świadomości ekologicznej i postępem technologii, perspektywy zastosowań cząstek PLA będą szersze. W zastosowaniach praktycznych odpowiednia metoda modyfikacji lub łączenia może zostać wybrana zgodnie ze szczególnymi potrzebami w celu optymalizacji właściwości materiału, aby spełnić szczególne wymagania różnych dziedzin.

Czy PLA jest bezpieczne?

Jako nowy materiał biodegradowalny, bezpieczeństwo kwasu polimlekowego (PLA) stało się przedmiotem szczególnej uwagi.

1. Biokompatybilny

• Zastosowania biomedyczne: PLA udowodniło swoją doskonałą biozgodność w szerokim zakresie zastosowań biomedycznych, takich jak produkcja jednorazowych urządzeń infuzyjnych i niedemontowalnych szwów chirurgicznych.
• Biodegradowalność: Po wykorzystaniu PLA może zostać całkowicie rozłożony przez mikroorganizmy żyjące w naturze, a w efekcie powstaje dwutlenek węgla i woda, które nie zanieczyszczają środowiska, co jest bardzo korzystne dla jego ochrony i sprawia, że jest uznawany za materiał przyjazny dla środowiska.

2. Właściwości fizyczne i chemiczne

• Stabilność: PLA charakteryzuje się dobrą stabilnością termiczną, szerokim zakresem temperatur przetwarzania (170~230°C) i dobrą odpornością na rozpuszczalniki.
• Właściwości mechaniczne: PLA ma dobre właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu i udarność, dzięki czemu nadaje się do stosowania w różnych metodach przetwarzania.

3. Bezpieczeństwo podczas przetwarzania i użytkowania

• Bezpieczeństwo przetwarzania: PLA można przetwarzać poprzez wytłaczanie, przędzenie, rozciąganie dwuosiowe, formowanie wtryskowe z rozdmuchem i innymi metodami. Jest nietoksyczny i nieszkodliwy w procesie przetwarzania.
• Bezpieczeństwo użytkowania: Produkty PLA nie uwalniają szkodliwych substancji podczas użytkowania, np. w opakowaniach żywności, pudełkach na fast foody itp. i są nieszkodliwe dla organizmu człowieka.

4. Wpływ na środowisko

• Degradowalność: PLA ulega całkowitemu rozkładowi w środowisku naturalnym, co pozwala uniknąć zanieczyszczenia środowiska spowodowanego przez tradycyjne tworzywa sztuczne.
• Ślad węglowy: W porównaniu do tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej PLA, jako tworzywo biologiczne, ma mniejszy ślad węglowy podczas produkcji i użytkowania, co pomaga w redukcji emisji gazów cieplarnianych.

5. Środki zmniejszające palność i toksyczność dymu

• Środek zmniejszający palność: PLA charakteryzuje się pewnym stopniem ognioodporności, co w pewnym stopniu może spowolnić rozprzestrzenianie się ognia.
• Toksyczność gazów spalinowych: Spaliny powstające w procesie spalania PLA charakteryzują się stosunkowo niską toksycznością i są mniej szkodliwe dla organizmu człowieka.

6. Bezpieczeństwo w kontakcie ze skórą i długotrwałym stosowaniu

• Bezpieczeństwo kontaktu skóra do skóry: Produkty zawierające PLA nie powodują podrażnień ani reakcji alergicznych, nawet jeżeli mają bezpośredni kontakt ze skórą.
• Bezpieczeństwo długotrwałego stosowania: Produkty PLA charakteryzują się stabilną wydajnością przy długotrwałym stosowaniu i nie uwalniają szkodliwych substancji wraz z wiekiem.

Podsumowując, bezpieczeństwo PLA zostało powszechnie uznane i wykazało dobre bezpieczeństwo pod względem biokompatybilności, właściwości fizycznych i chemicznych, przetwarzania i użytkowania, wpływu na środowisko, ognioodporności i toksyczności gazów spalinowych. Jednocześnie PLA ma szerokie perspektywy zastosowania, nie tylko w dziedzinie biomedycznej, ale także w opakowaniach codziennego użytku, tekstyliach i innych gałęziach przemysłu, które również wykazują duży potencjał. Wraz z postępem technologii i zwiększeniem zdolności produkcyjnych, oczekuje się, że PLA stanie się ważną siłą zastępującą tradycyjne tworzywa sztuczne, przyczyniając się do realizacji zrównoważonego rozwoju i ochrony środowiska.