Производство и применение биоразлагаемого материала из кукурузного крахмала на основе PLA

Что такое PLA-материал?

Полимолочная кислота (PLA) представляет собой полиэфирный полимер, полученный путем полимеризации с молочной кислотой в качестве основного сырья, который обычно изготавливается из крахмала, извлеченного из возобновляемых растительных ресурсов (таких как кукуруза, маниока и т. д.).

Материалы PLA широко используются в области 3D-печати благодаря своим экологическим характеристикам и простоте в обращении. Ее сырье получено из возобновляемых ресурсов, что не только снижает зависимость от традиционных нефтехимических ресурсов, но и обеспечивает низкий уровень выбросов углекислого газа в производственном процессе. PLA обладает хорошей воздухопроницаемостью и прозрачностью и может обрабатываться различными способами, включая экструзию, формование, литье с раздувом и т. д. Этот материал обладает высокой биосовместимостью, не токсичен для организма человека и даже может поглощаться человеческом организме, поэтому он также имеет широкий спектр перспектив применения в медицинской сфере.

Кроме того, хотя термостойкость и механические свойства PLA не так хороши, как у некоторых конструкционных пластиков, его прочность на разрыв и модуль упругости при изгибе достаточны для удовлетворения потребностей повседневного использования. Например, PLA постепенно заменил традиционные пластмассы в пищевых контейнерах, упаковочных материалах и некоторых потребительских товарах длительного пользования. PLA также обладает хорошей способностью к разложению и разлагается микроорганизмами в почве с образованием углекислого газа и воды, которые не вызывают долгосрочного загрязнения окружающей среды.

В целом, PLA считается идеальным экологически чистым материалом благодаря своим экологически чистым, биоразлагаемым и многофункциональным свойствам. Ожидается, что в будущем, по мере развития науки и техники и повышения осведомленности об окружающей среде, сфера применения PLA будет еще больше расширена.

Гранулы PLA, также известные как гранулы полимолочной кислоты, являются основным сырьем для производства продуктов из полимолочной кислоты (PLA).

Производство гранул PLA включает в себя несколько важных этапов, которые гарантируют, что конечный продукт имеет превосходную биоразлагаемость и механические свойства. Каждый этап производственного процесса, от выбора сырья до окончательной полимеризации, имеет решающее значение. Подробно способ изготовления гранул PLA описан ниже:

1. Ингредиенты

• Приобретение сырья: Производство PLA начинается с отбора растительных ресурсов, таких как кукурузный крахмал и маниока, которые измельчаются и экстрагируются крахмалом.
• Процесс осахаривания: Экстрагированный крахмал превращается в глюкозу путем осахаривания, которое достигается путем смешивания и нагревания ферментов и других химических веществ.

2. Ферментация

• Молочнокислое брожение: Затем глюкоза превращается в молочную кислоту с помощью процесса микробной ферментации. В этом процессе глюкоза ферментируется с получением молочной кислоты высокой чистоты.

3. Синтез ПЛА

• Метод прямой поликонденсации: В присутствии дегидратирующего агента молекулы молочной кислоты напрямую конденсируются и полимеризуются в олигомеры путем термической дегидратации, а затем добавляются удлинители цепи для получения высокомолекулярного PLA.
• Двухэтапный метод: молочная кислота сначала превращается в циклический димерный лактид, а затем полимеризуется путем раскрытия кольца с образованием PLA. Этот метод позволяет производить PLA с высокой молекулярной массой и узким молекулярно-массовым распределением.

4. Уточнение

• Очистка и регулировка: PLA очищается и подвергается точной настройке с помощью различных процессов и условий полимеризации для получения полимеров с различной кристалличностью и молекулярной массой. Это позволяет адаптировать свойства материала PLA к потребностям различных применений.

Таким образом, процесс производства гранул PLA не только учитывает экологичность и устойчивость, но также гарантирует, что конечный продукт имеет хорошие механические свойства и простоту обработки. Из этого гранулированного сырья можно изготавливать различные промышленные и потребительские товары посредством последующей плавки, экструзии или других процессов обработки, что делает его широко используемым в самых разных областях.

Каковы грануляции физической модификации PLA?

Существует множество методов физической модификации и грануляции PLA, в основном в том числе модификация наполнения, модификация смешивания, морфологическая и структурная модификация и т. д.

Двухшнековый экструдер PLA >>

Как экологически чистый биоразлагаемый материал, PLA используется для замены традиционных пластиков в области упаковки в реальной жизни, чтобы снизить затраты и повысить конкурентоспособность на рынке, наиболее модифицированными приложениями являются модификации наполнения и модификации смешивания, ниже основное внимание уделяется наполнению. Методы модификации и смешивания модификации и их конкретные применения:

1. Модификация заливки

• Добавление небольших неорганических или органических молекул: Улучшение определенных свойств путем добавления к полимеру низкомолекулярных неорганических или органических веществ. Этот метод прост и недорог и широко используется для повышения прочности, ударной вязкости и огнестойкости материалов.
• Добавление полимеров: Этот метод, также известный как смешивание, изменяет свойства исходной смолы путем включения в одну смолу одной или нескольких других смол, включая пластмассы и каучуки. Компаундирование позволяет существенно улучшить совместимость и технологичность материалов.

2. Модификация смешивания

• Смесь пластификаторов: PLA — жесткий материал, и добавление пластификаторов, таких как триацетат, трибутилцитрат, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и т. д., может улучшить его гибкость и ударопрочность. Исследования показали, что цитратные пластификаторы могут эффективно снизить температуру стеклования и улучшить хрупкость PLA.
• Смешивание зародышеобразователя: Добавление зародышеобразователя к PLA может ускорить кристаллизацию и улучшить его термические и механические свойства. Например, безилат калия и нанокристаллы целлюлозы с модифицированной поверхностью могут улучшить кристалличность и антимикробные свойства PLA.
• Смесь неорганических наполнителей: Слоистые силикаты, такие как каолин и монтмориллонит, смешивают с PLA для получения композиционных материалов с высокими механическими свойствами и термической стабильностью. Например, карбонат кальция и модифицированный гидроксиапатитом PLA обладают более высокой прочностью на разрыв и хорошей биосовместимостью.
• Смеси натуральных волокон: PLA смешан с натуральными волокнами, такими как банановое волокно и волокно кокосовой пальмы, которые не только улучшают его механические свойства, но и повышают его деградационные свойства. Этот композитный материал обладает превосходными характеристиками с точки зрения термической стабильности и модуля упругости.
• Смешивание с кукурузным крахмалом: модификация смеси PLA и крахмала (мука тапиоки, мука из ямса и т. д.) в сочетании с другими добавками, улучшающими совместимость, и добавками, повышающими ударную вязкость, может улучшить его механические свойства, прочность на разрыв, увеличить его свойства разложения и сократить время разложения. В то же время это также снижает стоимость сырья.

Грануляция физической модификации PLA охватывает множество технологий, каждая из которых оптимизирована для различных потребностей применения. Данные методы модификации не только улучшают комплексные свойства материала, но и снижают себестоимость продукции и расширяют область применения. При выборе правильного метода модификации необходимо учитывать такие факторы, как конечное использование материала, стоимость и воздействие на окружающую среду.

Введение в процесс производства гранул PLA:

В процессе производства гранул PLA для гранулирования используется двухшнековый экструдер с конвейерной лентой с воздушным охлаждением. Ниже приводится подробный анализ этапов:

1. Предварительная обработка сырья

• Перемешивание и нагревание: сначала добавьте в миксер крахмал, добавки и т. д., перемешайте и нагрейте, чтобы материал полностью перемешался равномерно, и, наконец, добавьте PLA и PBAT, продолжайте перемешивать, температура около 100 °, цель этого шага: изменить совместимость поверхности наполнителя, чтобы материал было легче диспергировать и смешивать в последующем оборудовании.

2. Компаундирование и экструзия

• Двухшнековый экструдер для экструзиион: Смешанные материалы вместе добавляются в двухшнековый экструдер, при этом используются превосходные характеристики смешивания двухшнекового экструдера, материалы полностью расплавляются и распределяются смешанными при нагреве внешнего нагревателя. Материал экструдируется в вещество, похожее на лапшу, через матрицу. Преимущество двухшнекового экструдера заключается в том, что он непрерывно и эффективно смешивает, пластифицирует и экструдирует материалы.

3. Охлаждение и гранулирование.

• Охлаждение конвейерной ленты с воздушным охлаждением: Экструдированная лапша из PLA охлаждается, пропуская ее через конвейерную ленту с воздушным охлаждением. Этот метод позволяет быстро снизить температуру частиц, предотвратить слипание между частицами и обеспечить дисперсию и качество частиц.
• При гранулировании охлажденная лапша поступает в гранулятор, и лапша разрезается на частицы размером 3XD3 мм с помощью высокоскоростного вращающегося резака.

4. Просеивание

• Отбор частиц, соответствующих стандартам: Наконец, обработанные частицы просеиваются, а гранулы, соответствующие стандартам и нуждающиеся в дальнейшей переработке в пластиковые изделия, сортируются и отбираются.

Области применения биоразлагаемых гранул PLA:

Частицы PLA, то есть частицы полимолочной кислоты, представляют собой разлагаемые пластики на биологической основе, полученные полимеризацией с молочной кислотой в качестве основного сырья. Благодаря своим экологическим характеристикам и превосходным физическим свойствам частицы PAL широко используются во многих областях. Ниже приведены основные области применения частиц PAL:

1. Медицинская сфера

• Система контролируемого высвобождения лекарств: PLA обладает хорошей биосовместимостью и биоразлагаемостью, а его применение в носителях лекарств позволяет эффективно добиться контролируемого высвобождения лекарств, сократить количество введений лекарств и повысить эффективность.
• Ортопедические материалы внутренней фиксации: Материалы PLA можно использовать для производства винтов, гвоздей, стержней и других ортопедических материалов для внутренней фиксации, которые могут постепенно разлагаться in vivo, что позволяет избежать проблемы, связанной с необходимостью удаления традиционных металлических материалов для внутренней фиксации путем вторичной хирургии.

2. Упаковочная промышленность

• Упаковка для еды: Упаковочные материалы для пищевых продуктов, изготовленные из гранул PLA, такие как полиэтиленовые пакеты, пленки, контейнеры и т. д., обладают хорошей прозрачностью и механическими свойствами и в то же время становятся эффективным решением проблемы белых загрязнений из-за их способности к разложению.
• Непищевая упаковка: PLA также используется в упаковке непищевых продуктов, таких как электроника и косметика, обеспечивая устойчивые и экологически чистые варианты снижения воздействия на окружающую среду.

3. Текстильная промышленность

• Волокна одежды: Гранулы PLA перерабатываются в волокна, которые используются в производстве различной одежды и текстиля. Это волокно дышащее и удобное, а также биоразлагаемое, что снижает воздействие швейной промышленности на окружающую среду.
• Домашний текстиль: Например, в простынях, шторах и другом домашнем текстиле также начали использовать материалы PLA, которые не только удовлетворяют потребности использования, но и уменьшают загрязнение окружающей среды.

4. Сельское хозяйство

• Сельскохозяйственная мульчирующая пленка: Сельскохозяйственная мульчирующая пленка, изготовленная из частиц PLA, не только обладает функцией нагрева и удержания воды, как и традиционная пластиковая мульчирующая пленка, но также может естественным образом разлагаться в почве после использования, что позволяет избежать длительного загрязнения почвы фрагментами пластиковой пленки.
• Детские миски и контейнеры: PLA также используется для изготовления чаш для рассады и других посадочных контейнеров, которые могут быть непосредственно разложены после использования, что снижает стоимость и сложность утилизации контейнеров для отходов.

5. Индустрия посуды

• Одноразовая посуда: Одноразовая посуда из гранул PLA, такая как миски, тарелки, палочки для еды и т. д., постепенно заменяет традиционную пластиковую посуду благодаря своим экологическим и разлагаемым свойствам, особенно в сфере упаковки пищевых продуктов и еды на вынос.

6. 3D сфера печати

• Материалы для 3D-печати: Частицы PLA стали одним из наиболее часто используемых материалов для 3D-печати благодаря их хорошей термопластичности и межслойной адгезии. Пользователи могут печатать широкий спектр сложных форм и структур по требованию для прототипирования, обучения и мелкосерийного производства.

7. Электронная промышленность

• Пластиковые детали электронных устройств: Частицы PLA используются для изготовления пластиковых деталей некоторых электронных устройств из-за их хороших изоляционных свойств и способности к разложению, что позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды и одновременно обеспечить производительность.

Благодаря отличным характеристикам защиты окружающей среды и физическим свойствам, частицы PLA широко используются во многих областях, таких как медицина, упаковка, текстиль, сельское хозяйство, посуда, 3D-печать и электроника. С повышением глобальной экологической осведомленности и развитием технологий перспективы применения частиц PLA станут шире. В практических применениях соответствующий метод модификации или компаундирования может быть выбран в соответствии с конкретными потребностями для оптимизации свойств материала для удовлетворения конкретных требований различных областей.

Безопасна ли ПЛА?

Безопасность полимолочной кислоты (PLA) как нового биоразлагаемого материала стала в центре внимания.

1. Биосовместимость

• Биомедицинские применения: PLA доказал свою превосходную биосовместимость в широком спектре биомедицинских применений, таких как производство одноразовых инфузионных приспособлений и неразборных хирургических швов.
• Биоразлагаемость: PLA может полностью разлагаться микроорганизмами в природе после использования и, наконец, генерировать углекислый газ и воду, которые не загрязняют окружающую среду, что очень полезно для защиты окружающей среды и признано экологически чистым материалом.

2. Физико-химические свойства.

• Стабильность: PLA обладает хорошей термической стабильностью, широким диапазоном температур обработки (170–230°C) и хорошей устойчивостью к растворителям.
• Механические свойства: PLA обладает хорошими механическими свойствами, такими как прочность на разрыв, удлинение при разрыве и ударная вязкость, что делает его пригодным для различных методов обработки.

3. Безопасность при обработке и использовании.

• Безопасность обработки: PLA можно обрабатывать экструзией, прядением, двухосным растяжением, литьем с раздувом и другими методами, он нетоксичен и безвреден во время обработки.
• Безопасность использования: Изделия из PLA не выделяют вредных веществ во время использования, например, упаковка пищевых продуктов, ланч-боксы для фаст-фуда и т. д., и безвредны для организма человека.

4. Воздействие на окружающую среду

• Разлагаемость: PLA может полностью разлагаться в естественной среде, избегая загрязнения окружающей среды, вызванного традиционными пластиками.
• Углеродный след: По сравнению с пластиками на основе нефти, PLA, как пластик на биологической основе, имеет меньший углеродный след во время производства и использования, что помогает сократить выбросы парниковых газов.

5. Огнезащита и токсичность дыма.

• Огнезащитный: PLA обладает определенной степенью огнестойкости, что может в определенной степени замедлить распространение огня.
• Токсичность дымовых газов: Дымовые газы, образующиеся при сжигании ПЛА, обладают относительно низкой токсичностью и менее вредны для организма человека.

6. Безопасность при контакте с кожей и длительном использовании.

• Безопасность при контакте кожа-к-коже: Изделия из PLA не вызывают раздражения или аллергических реакций даже при прямом контакте с кожей.
• Безопасность длительного использования: Изделия из PLA имеют стабильные характеристики при длительном использовании и не выделяют вредных веществ из-за старения.

Таким образом, безопасность PLA получила широкое признание и продемонстрировала хорошую безопасность с точки зрения биосовместимости, физических и химических свойств, обработки и использования, воздействия на окружающую среду, огнестойкости и токсичности дымовых газов. В то же время PLA имеет широкие перспективы применения не только в биомедицинской области, но и в повседневной упаковке, текстильной и других отраслях промышленности. Ожидается, что с развитием технологий и расширением производственных мощностей PLA станет важной силой, которая заменит традиционные пластмассы, способствуя реализации устойчивого развития и защите окружающей среды.