Interpretasi plastik degradable berbasis pati: ikatan silang dan modifikasi
Pendahuluan: Pati merupakan senyawa polimer alami dan terbarukan. Karena kelimpahannya, ketersediaannya yang mudah dan harganya yang murah, pati banyak digunakan dalam penelitian plastik degradable. Saat ini, plastik biodegradable berbasis pati mencapai sekitar 50% dari plastik biodegradable komersial yang ada, dan mereka telah digunakan dalam film kemasan makanan, film mulsa pertanian, kotak makan siang plastik berbusa, dan perancah rekayasa jaringan tulang medis 41. Namun, karena terhadap struktur molekul pati, kemampuan proses pati itu sendiri buruk. Dibandingkan dengan plastik tradisional, sifat mekanik dan sifat penghalang dari plastik degradable berbasis pati sangat berkurang, dan mereka tidak dapat dipromosikan lebih lanjut secara komersial. Oleh karena itu, modifikasi fisik atau kimia pati sangat penting. Cross-linking adalah salah satu metode utama modifikasi pati. Struktur jaringan tiga dimensi yang terhubung erat yang dibentuk oleh tautan silang meningkatkan interaksi antarmolekul, sehingga memperoleh bahan yang dapat terdegradasi dengan ketahanan panas yang baik, tahan air, kekuatan tinggi dan fleksibilitas.
gambar
Metode cross-linking dari plastik degradable berbasis pati
Cross-linking adalah proses menghubungkan rantai polimer linier atau bercabang menjadi polimer berjaringan dengan membentuk ikatan kovalen. Menurut metode pengikatan silang yang berbeda, plastik degradable berbasis pati ikat silang dapat dibagi menjadi plastik degradable berbasis pati ikatan silang kimia dan plastik degradable berbasis pati ikat silang foto.
1
Ikatan silang kimia
Ikatan silang kimia adalah reaksi zat pengikat silang yang mengandung gugus fungsi biner atau ganda dengan gugus hidroksil pada molekul pati untuk membentuk gugus seperti ikatan dieter atau gugus diester, sehingga ikatan silang beberapa molekul pati membentuk jaringan spasial Metode polimer seperti struktur. Zat pengikat silang yang umum digunakan adalah glutaraldehid, epiklorohidrin (ECH), natrium trimetafosfat (STMP), asam sitrat (CA) dan asam malat. Sifat-sifat plastik degradable berbasis pati yang dibuat dengan bahan pengikat silang yang berbeda juga berbeda.
Dalam beberapa tahun terakhir, dengan promosi konsep perlindungan lingkungan yang gencar, tipe CA"hijau" agen pengikat silang tidak beracun telah menjadi lebih dan lebih populer di kalangan peneliti dan telah menjadi agen pengikat silang utama untuk pengikat silang plastik degradable berbasis pati. Menurut waktu ketika zat pengikat silang ditambahkan, pengikat silang kimia dapat dibagi menjadi pengikat silang (yaitu, zat pengikat silang ditambahkan untuk bereaksi selama proses pencetakan polimer) dan pasca-ikatan silang (yaitu, setelah bahan terbentuk, diresapi). oleh larutan agen pengikat silang) Metode ini menyebabkan ikatan silang antar molekul).
2
Fotocrosslinking
Photocrosslinking adalah metode menambahkan fotosensitizer ke sistem pati untuk menguraikannya menjadi radikal bebas di bawah iradiasi sinar ultraviolet (UV), dan menggunakan fotosensitizer untuk mempolimerisasi gugus hidroksil dalam pati untuk mengikat silang molekul pati. . Ketika fotosilang untuk membuat plastik degradable berbasis pati, dosis radiasi dan konsentrasi fotosensitizer adalah faktor terpenting yang mempengaruhi derajat ikatan silang bahan. Dibandingkan dengan metode ikatan silang kimia, metode foto-silang tidak memerlukan peralatan hidrotermal dan reagen pengikat silang, lebih aman dan lebih ramah lingkungan, dan mudah dioperasikan, dan reaksinya mudah dikendalikan. Ini dapat disesuaikan dengan produksi material skala besar yang berkelanjutan dan cocok untuk hidrogel berbasis bio. , Persiapan bahan pengiriman obat, dll.
Pengaruh ikatan silang pada sifat-sifat plastik degradable berbasis pati
1
Tahan air
Ketahanan air merupakan salah satu syarat penting untuk menguji standar aplikasi bahan membran degradable berbasis bio. Namun, karena hidrofilisitas alami pati, bahan film berbasis pati umumnya menunjukkan hidrofilisitas yang lebih kuat dan permeabilitas yang lebih tinggi. Modifikasi cross-linking membuat pati memiliki struktur jaringan tiga dimensi yang terhubung erat, yang secara efektif dapat mencegah masuknya dan migrasi molekul air. Penyerapan air, pembengkakan dan laju transmisi uap air (WVP) sering digunakan untuk mengkarakterisasi ketahanan air dari bahan berbasis pati.
2
Perilaku mekanis
Dalam produksi dan kehidupan sehari-hari, bahan film kemasan harus memiliki kekuatan dan fleksibilitas tertentu untuk menjaga integritasnya selama pemrosesan. Cross-linking membangun koneksi antarmolekul dan intramolekul, membuat rantai molekul pati lebih panjang, meningkatkan interaksi antarmolekul, dan menghasilkan peningkatan kekuatan tarik material dan penurunan perpanjangan putus. Secara umum, menambahkan sejumlah kecil zat pengikat silang dapat memenuhi persyaratan kinerja produk. Ketika derajat ikatan silang rendah, panjang molekul pati yang tersedia untuk meluncur meningkat. Dengan peningkatan terus menerus dari tingkat ikatan silang, interaksi antarmolekul dan intramolekul ditingkatkan, dan kekuatan tarik meningkat, tetapi pada saat yang sama selip antarmolekul juga dibatasi, yang mengarah pada penurunan perpanjangan putus material. dan kerapuhan. Pati memiliki hidrofilisitas yang kuat. Jika ada terlalu banyak pati dalam sistem, gaya antarmolekul akan melemah setelah bahan menyerap air, yang sangat mengurangi kekuatan tarik bahan. Selain derajat ikatan silang dan kandungan pati, RH juga memiliki dampak yang lebih besar pada sifat mekanik plastik degradable berbasis pati. Ketika RH 40%, sifat mekanik lembaran berbasis pati adalah yang terbaik. RH yang terlalu rendah dapat membuat material menjadi rapuh dan pecah berkeping-keping saat diregangkan; ketika RH terlalu tinggi, sejumlah besar molekul air masuk ke lembaran plastik sebagai plasticizer, dan kekuatan tarik menurun. Waktu curing dan suhu curing juga merupakan faktor penting yang mempengaruhi sifat mekaniknya.
3
Degradabilitas
Degradabilitas adalah keuntungan terbesar dari bahan berbasis pati. Biodegradasi bahan berbasis pati biasanya disebabkan oleh aktivitas biologis jamur, bakteri dan mikroorganisme lainnya dalam kondisi alami seperti tanah, atau dalam kondisi spesifik tertentu seperti kondisi pengomposan atau dalam larutan kultur air. Metode penguburan tanah menggunakan mikroorganisme untuk mengikis pati di dalamnya dan mengeluarkan enzim, yang mengurangi kekuatan material. Plastik dan garam logam di dalam tanah mengalami oksidasi otomatis untuk menghasilkan peroksida, yang mendorong putusnya rantai molekul polimer dan menjadi zat bermolekul rendah. , yang menjadi H2O dan CO2. Metode pengomposan menggunakan mikroorganisme untuk mengontrol konversi bahan organik yang dapat terdegradasi dalam limbah padat menjadi humus, H2O dan CO2 yang stabil dalam kondisi oksigen. Cross-linking meningkatkan gaya interaksi antarmolekul dan intra-molekul dan mengurangi laju degradasi material. Dalam keadaan normal, derajat degradasi plastik degradable berbasis pati berkorelasi positif dengan kadar pati dan waktu penimbunan tanah, dan laju degradasi berkorelasi positif dengan kadar pati, kelembaban lingkungan, derajat ikatan silang, dan kadar plasticizer.
Metode modifikasi plastik degradable berbasis pati yang terhubung silang
Karena struktur jaringan tiga dimensi yang kompak yang dibentuk oleh ikatan silang, kinerja plastik degradable berbasis pati terkait-silang telah ditingkatkan sampai batas tertentu, tetapi masih belum memenuhi standar plastik umum. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi lebih lanjut, antara lain pencampuran dengan bahan polimer lain, peningkatan bahan nano, modifikasi ganda, pelapisan pelapis hidrofobik, dll.
1
Modifikasi pencampuran polimer alami
Geng Shengrong dan yang lainnya menggunakan STMP untuk menghubungkan sistem campuran pati dan bubuk terbang konjak, dan menyiapkan film campuran yang dapat terdegradasi dengan ketahanan air dan sifat mekanik yang baik melalui metode pembentukan film casting. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa glukomanan dengan struktur jaringan dapat menghambat pengendapan pati dan bermanfaat untuk meningkatkan kompatibilitas sistem blend. Kemudian jumlah PVA yang sesuai ditambahkan ke sistem untuk dicampur. PVA menyediakan film dengan ketahanan air dan sifat mekanik yang lebih baik, tetapi kompatibilitas sistem menjadi buruk. Li dkk. menggunakan glutaraldehida sebagai zat pengikat silang untuk membuat film ikatan silang komposit kentang/CS dengan ketahanan air yang lebih baik dengan metode pengecoran. Pada saat yang sama, CS memberikan sifat antibakteri yang unik pada film, memungkinkannya untuk digunakan dalam biomedis atau pengawetan makanan. Lapangan banyak digunakan. Dibandingkan dengan film berbasis pati murni, sifat film berbasis pati yang dicampur dan dihubungkan silang dengan biopolimer lain ditingkatkan. Pada saat yang sama, biomaterial lain juga dapat membawa beberapa sifat tambahan untuk film berbasis pati. Metode ini untuk mempersiapkan tren baru bahan membran berbasis pati baru.
2
Memadukan modifikasi poliester yang dapat terdegradasi
Memadukan pati dengan poliester yang dapat terdegradasi, dengan bantuan sifat mekanik dan ketahanan air poliester' yang sangat baik, dapat secara efektif menutupi kekurangan kinerja film pati. Untuk sistem pencampuran, kompatibilitas beberapa zat merupakan faktor penting yang mempengaruhi sifat mekanik bahan. ECH dan gliserin digunakan untuk memodifikasi pati, dan kemudian pati yang dimodifikasi dicampur dengan PLA, dan film dapat dibuat melalui proses pengepresan panas. Gugus hidroksil pada molekul pati dihubungkan silang oleh molekul ECH untuk membentuk gugus eter, sehingga mengubah hidrofilisitas pati. Hasilnya menunjukkan bahwa ikatan silang dan modifikasi plastisisasi pati meningkatkan kompatibilitasnya dengan PLA dan meningkatkan sifat mekaniknya. Film campuran terner dapat dibuat dengan rasio pati/PVA/CA yang berbeda.
3
Modifikasi yang diperkuat pengisi nano
Selain poliester yang dapat terdegradasi, selulosa dan nanopartikel juga merupakan bahan pengisi yang umum digunakan dalam beberapa tahun terakhir untuk mempelajari sifat mekanik plastik degradable berbasis pati. Studi oleh Balakrishnan et al. telah menunjukkan bahwa selulosa nanofibers (CNFs) dan selulosa nanocrystals (CNCs) memiliki efek penguatan yang lebih baik pada membran pati, dan CNFs memiliki efek penguatan yang lebih baik daripada CNCs. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa selulosa dan pati keduanya polisakarida, dan keduanya memiliki struktur yang serupa, dan ikatan hidrogen yang kuat mudah dibentuk antara gugus hidroksil, menghasilkan adhesi antar muka yang sangat kuat. CNC memiliki morfologi seperti jarum dengan kristalinitas tinggi; sedangkan CNF memiliki struktur jaringan dengan aspek rasio yang besar, tingkat keterjeratan yang tinggi dengan pati, dan interaksi antar molekul yang lebih besar. Ini meningkatkan sifat mekanik bahan film berbasis pati.
4
Modifikasi lapisan hidrofobik
Untuk meningkatkan ketahanan air dari film berbasis pati, itu juga dapat diperlakukan permukaan, seperti pelapisan dengan pelapis hidrofobik. Rendam film gluten gandum yang sudah disiapkan dan baki pati berbusa dalam larutan triasetat-diklorometana. Penguapan yang lambat dari pelarut akan membentuk lapisan film pada permukaan bahan. Lapisan pati triasetat sangat meningkatkan ketahanan air material. Saat menggunakan PLA sebagai bahan baku untuk melapisi busa berbasis pati, meskipun lapisan PLA memiliki kompatibilitas yang buruk dengan busa, namun tetap meningkatkan densitas, kekuatan tarik dan kekuatan impak busa.
5
Beberapa modifikasi kimia
Kinerja bahan film pati ikatan silang yang dibuat secara komprehensif menggunakan metode modifikasi ganda lebih baik daripada film pati termodifikasi ikatan silang tunggal. Beberapa modifikasi kimia adalah tren utama untuk meningkatkan kinerja film terdegradasi berbasis pati. Ketika film pati teroksidasi ikatan silang (film C-OS) dan film pati ikatan silang teroksidasi (film O-CS) masing-masing dibuat dengan hidrogen peroksida dan asam borat, film O-CS memiliki lebih banyak keuntungan karena sebagian degradasi molekul pati karena oksidasi pertama. Hidrofilisitas tinggi membuat film lebih fleksibel; Film C_OS memiliki tingkat ikatan silang yang lebih tinggi karena ikatan silang pertama, dan film memiliki ketahanan dan kekuatan air yang lebih baik. Pati modifikasi plastisisasi poliol komposit hidrofobik dan lipofilik dibuat dengan melakukan pengikatan silang STMP berturut-turut, perlakuan permukaan agen penggandeng aluminat dan plastisisasi senyawa pemlastis pada pati jagung, dan kemudian mencampurnya dengan PCL dan penanggalannya menjadi Film, hidrofobisitas film dapat menjadi sangat meningkat. Sukhija dkk. menggunakan STMP sebagai agen pengikat silang dan natrium hipoklorit sebagai oksidan untuk menyiapkan pati akar teratai teroksidasi ganda yang teroksidasi, dicampur dengan protein whey pekat, gliserin, dan kulit pisang raja, dan disiapkan dengan metode pengecoran. Film berbasis pati diperoleh, dan stabilitas termal, sifat mekanik dan ketahanan air dari film sangat meningkat. Modifikasi ganda tidak hanya meningkatkan kinerja bahan, tetapi juga meningkatkan biaya produksi bahan berbasis pati. Oleh karena itu, memilih metode modifikasi yang lebih sedikit untuk mendapatkan kinerja yang lebih baik adalah fokus penelitian masa depan pada plastik degradable berbasis pati.
Arah pengembangan masa depan plastik degradable berbasis pati terkait-silang
Penggunaan plastik degradable berbasis pati ikat silang adalah salah satu metode penting untuk mengatasi masalah"putih" polusi. Namun, setelah bertahun-tahun penelitian dan pengembangan, bahan tersebut belum diproduksi dan diterapkan secara massal, terutama karena biaya dan kinerjanya. Plastik degradable berbasis pati yang sepenuhnya terikat silang memiliki sifat degradasi yang sangat baik, tetapi sifat mekanik dan ketahanan airnya sulit untuk mencapai standar plastik umum. Untuk mendapatkan plastik yang dapat terurai secara sempurna yang memenuhi persyaratan penggunaan, modifikasi ikatan silang sederhana dari pati masih jauh dari cukup. Ini harus dicapai melalui aplikasi komprehensif dari metode modifikasi kompleks atau pencampuran dengan poliester. Biaya tinggi yang dihasilkan pasti akan menghambat promosi komersial bahan. Saat ini, harga plastik ikat silang berbasis pati yang sepenuhnya terdegradasi yang diproduksi di pasar adalah 4-10 kali lipat dari plastik tujuan umum. Mereka terutama digunakan dalam outsourcing dan pengemasan beberapa kosmetik kelas atas dan beberapa persediaan medis (seperti jahitan bedah dan kapsul pelepasan obat). ).
Namun, pati adalah salah satu bahan baku yang paling kompetitif untuk plastik berbasis bio, dan memiliki prospek aplikasi yang luas dalam strategi pembangunan berkelanjutan. Saat ini, plastik campuran poliester yang dapat terdegradasi pati adalah produk yang paling matang dan sepenuhnya dapat terdegradasi di pasaran. Di masa depan, para peneliti harus mengabdikan diri untuk mengembangkan plastik degradable berbasis pati yang berbiaya rendah dan berkinerja tinggi. Ada terutama arah penelitian berikut:
1. Metode modifikasi yang aman dan ramah lingkungan harus digunakan dalam proses modifikasi, dan aditif hijau dan bebas polusi harus digunakan sebanyak mungkin untuk memfasilitasi degradasi atau pengomposan.
2. Untuk plastik degradable berbasis pati campuran, jumlah pati yang digunakan harus ditingkatkan sebanyak mungkin dengan alasan memenuhi persyaratan kinerja untuk mengurangi biaya produksi bahan; pada saat yang sama, campuran harus memiliki kompatibilitas yang baik untuk mendapatkan sifat mekanik yang sangat baik.
3. Memperkenalkan bahan baru untuk memberikan sifat multifungsi plastik degradable berbasis pati, seperti menambahkan kitosan, PVA, dll untuk memberikan sifat antibakteri bahan pati, menambahkan damar, dll untuk memberikan bahan berbasis pati sifat anti-ultraviolet, sehingga dapat memperluas penerapan pasar plastik degradable berbasis pati.
4. Mengembangkan proses baru untuk mengurangi konsumsi energi dari produksi bahan, seperti penggunaan metode pencetakan yang lebih baik, metode pencetakan tiup ekstrusi, dll. daripada metode pengecoran film untuk mempromosikan produksi massal komersial berkelanjutan dari plastik yang dapat terurai berbasis pati .
Kami menawarkan film biodegradable penuh yang dipatenkan dan tas PVA, semua produk dibuat dengan peralatan casting, Ini berbeda dari produk blow moulding tradisional, semua produk blow moulding tidak biodegradable penuh. Kami dapat memproduksi film dan tas pva dalam warna transparan penuh dan berbagai warna. dan film PVA lebih halus daripada produk blow moulding tradisional.
Kami juga menawarkan film dan tas biodegradable penuh bahan organik dengan bahan baku dan Proses produksi yang dipatenkan.
Untuk produk film dan tas PVA lainnya, silakan kunjungi kami:
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
http://www.joyful-printing.com/pva-bag/