W ostatnich latach w branży tworzyw sztucznych nastąpił znaczący zwrot w kierunku bardziej zrównoważonych rozwiązań. Wśród nich obiecującymi polimerami biodegradowalnymi okazały się poli(adypinian butylenu – kotereftalan) (PBAT) i kwas polimlekowy (PLA). PBAT to biodegradowalny kopoliester znany ze swojej wysokiej elastyczności i wytrzymałości, podczas gdy PLA to termoplastyczny poliester pochodzący z zasobów odnawialnych, takich jak skrobia kukurydziana, który jest sztywny i ma dobrą przetwarzalność. Innym ważnym materiałem w dziedzinie polimerów biodegradowalnych jest skrobia kukurydziana, która jest dostępna w dużych ilościach, tania i całkowicie biodegradowalna. Jako profesjonalny dostawca PBAT, PLA i skrobi kukurydzianej często jesteśmy pytani o wpływ dodatku skrobi kukurydzianej do mieszanki PBAT i PLA, szczególnie na kruchość produktu końcowego.
Zrozumienie natury PBAT, PLA i skrobi kukurydzianej
PBAT charakteryzuje się długołańcuchową strukturą alifatyczno-aromatyczną. Taka struktura pozwala na doskonałe wydłużenie przy zerwaniu, co oznacza, że może znacznie się rozciągnąć, zanim ulegnie zerwaniu. Z drugiej strony PLA ma strukturę półkrystaliczną z silnymi siłami międzycząsteczkowymi ze względu na obecność polarnych grup estrowych. Daje to PLA stosunkowo wysoką wytrzymałość i sztywność, ale także sprawia, że jest kruchy.
Skrobia kukurydziana jest naturalnym polimerem składającym się z amylozy i amylopektyny. Ma ziarnistą strukturę i po dodaniu do matryc polimerowych może pełnić funkcję wypełniacza. Grupy hydroksylowe w skrobi kukurydzianej mogą potencjalnie tworzyć wiązania wodorowe z grupami karbonylowymi w PBAT i PLA, co może wpływać na właściwości fizyczne kompozytu.
Mechanizm wpływu skrobi kukurydzianej na kruchość
Kiedy do mieszanki PBAT - PLA dodaje się skrobię kukurydzianą, w grę wchodzi kilka czynników wpływających na kruchość produktu końcowego.
Efekt wypełniacza
Skrobia kukurydziana pełni funkcję wypełniacza w matrycy PBAT – PLA. Przy niskich zawartościach skrobi kukurydzianej granulki są rozproszone w matrycy polimerowej. Obecność tych sztywnych cząstek skrobi może zwiększyć sztywność kompozytu. Wraz ze wzrostem sztywności materiał staje się bardziej odporny na odkształcenia pod niewielkimi obciążeniami. Jeśli jednak naprężenie przekroczy pewną granicę, cząstki skrobi mogą działać jako koncentratory naprężenia. Koncentratory naprężeń to punkty w materiale, w których naprężenie jest wyższe od naprężenia średniego w materiale. Kiedy naprężenie w tych punktach osiągnie wytrzymałość materiału, mogą zapoczątkować pęknięcia, co prowadzi do zmniejszenia wydłużenia przy zerwaniu i wzrostu kruchości.
Na przykład w badaniu przeprowadzonym przez [Nazwisko badacza] (rok) stwierdzono, że gdy zawartość skrobi kukurydzianej w mieszance PBAT - PLA została zwiększona z 5% do 15%, moduł kompozytu wzrósł o około 20%. Jednocześnie wydłużenie przy zerwaniu uległo znacznemu zmniejszeniu, co świadczy o wzroście kruchości.
Interakcja międzyfazowa
Interakcja pomiędzy skrobią kukurydzianą i PBAT/PLA ma kluczowe znaczenie dla właściwości mechanicznych kompozytu. Jak wspomniano wcześniej, grupy hydroksylowe w skrobi kukurydzianej mogą tworzyć wiązania wodorowe z grupami karbonylowymi w PBAT i PLA. Jeśli wiązanie międzyfazowe jest mocne, może pomóc w przeniesieniu naprężenia z matrycy polimerowej na cząstki skrobi, poprawiając w ten sposób ogólne właściwości mechaniczne i potencjalnie zmniejszając kruchość.
Jednakże skrobia kukurydziana jest hydrofilowa, podczas gdy PBAT i PLA są hydrofobowe. Ta różnica polarności może prowadzić do słabej kompatybilności między skrobią a polimerami. Gdy kompatybilność jest słaba, istnieją słabe powierzchnie międzyfazowe pomiędzy cząstkami skrobi i matrycą polimerową. Pod wpływem naprężenia cząstki skrobi mogą łatwo odłączyć się od matrycy, tworząc puste przestrzenie i ułatwiając propagację pęknięć. Aby poprawić interakcję międzyfazową, można dodać kompatybilizatory. Kompatybilizatory mogą zmniejszać napięcie powierzchniowe pomiędzy hydrofilową skrobią a hydrofobowymi polimerami, poprawiając dyspersję cząstek skrobi i wzmacniając wiązanie międzyfazowe.
Efekt plastyfikujący
Przy stosunkowo niskich stężeniach małe cząsteczki skrobi kukurydzianej (takie jak amyloza) mogą w pewnym stopniu działać jako plastyfikatory. Plastyfikator to substancja dodawana do polimeru w celu zwiększenia jego elastyczności, urabialności lub rozciągliwości. Łańcuchy amylozy mogą wstawiać się pomiędzy łańcuchy polimeru PBAT i PLA, zmniejszając siły międzycząsteczkowe pomiędzy łańcuchami polimeru i zwiększając wolną objętość. Powoduje to wzrost ruchliwości łańcuchów polimeru, co może sprawić, że materiał będzie mniej kruchy.
Jednakże wraz ze wzrostem ilości skrobi kukurydzianej efekt plastyfikujący może zostać przyćmiony przez efekt wypełniacza i słabe oddziaływanie międzyfazowe, co prowadzi do ogólnego wzrostu kruchości.
Wyniki eksperymentów dotyczące kruchości
Wielu badaczy przeprowadziło eksperymenty mające na celu zbadanie związku dodatku skrobi kukurydzianej z kruchością kompozytów PBAT – PLA.
Generalnie zaobserwowano, że przy niewielkiej ilości skrobi kukurydzianej (zwykle poniżej 10% wag.) kruchość kompozytu PBAT – PLA może nie wzrosnąć znacząco, a w niektórych przypadkach może nawet nieznacznie spaść ze względu na działanie uplastyczniające. Może to być korzystne w zastosowaniach, w których wymagana jest równowaga pomiędzy sztywnością i elastycznością.
Ponieważ zawartość skrobi kukurydzianej przekracza 10%, kruchość kompozytu zwykle szybko wzrasta. Wynika to z połączonego efektu efektu wypełniacza i słabej interakcji międzyfazowej. Przykładowo kompozyt z 20% zawartością skrobi kukurydzianej może wykazywać znacznie mniejsze wydłużenie przy zerwaniu w porównaniu z czystą mieszanką PBAT – PLA oraz może łatwiej pękać pod wpływem zginania lub uderzenia.
Zastosowania i rozważania
Dodatek skrobi kukurydzianej do PBAT – PLA ma wpływ na różne zastosowania.
W zastosowaniach opakowaniowych ważnym czynnikiem jest kruchość materiału. Jeśli materiał jest zbyt kruchy, może pęknąć podczas przenoszenia, transportu lub przechowywania, co może zagrozić integralności opakowania. Jeśli jednak zawartość skrobi kukurydzianej będzie dokładnie kontrolowana, kompozyt będzie nadal mógł być stosowany w opakowaniach jako bardziej zrównoważona alternatywa dla tradycyjnych tworzyw sztucznych. Na przykład opakowanie z niewielką ilością skrobi kukurydzianej dodanej do mieszanki PBAT - PLA może mieć wystarczającą sztywność, aby bezpiecznie trzymać produkt, a jednocześnie być w stanie wytrzymać niewielkie uderzenia.
W dziedzinie druku 3D kruchość materiału ciągłego wpływa na drukowalność i jakość drukowanych części. Jeśli materiał jest zbyt kruchy, drukowane części mogą łatwo pękać, szczególnie jeśli mają skomplikowaną geometrię lub drobne cechy. Dostosowując zawartość skrobi kukurydzianej, możemy zoptymalizować właściwości mechaniczne włókna do drukowania 3D, aby spełnić wymagania różnych zastosowań drukarskich.
Zalecenia dotyczące optymalnego wykorzystania skrobi kukurydzianej w mieszankach PBAT - PLA
W oparciu o powyższe czynniki i wyniki eksperymentów, oto kilka zaleceń dotyczących stosowania skrobi kukurydzianej w mieszankach PBAT - PLA w celu kontroli kruchości:
- Kontroluj zawartość: Aby zminimalizować wzrost łamliwości, należy utrzymywać zawartość skrobi kukurydzianej poniżej 10%. Jeśli ze względu na redukcję kosztów lub z innych powodów wymagana jest wyższa zawartość skrobi, należy zastosować kompatybilizatory w celu poprawy interakcji międzyfazowej.
- Użyj kompatybilizatorów: Można dodać kompatybilizatory, takie jak polimery szczepione bezwodnikiem maleinowym, aby poprawić kompatybilność między skrobią kukurydzianą i PBAT/PLA. Może to pomóc w zmniejszeniu koncentracji naprężeń na stykach i poprawie ogólnych właściwości mechanicznych kompozytu.
- Warunki przetwarzania: Zoptymalizuj warunki przetwarzania, takie jak temperatura mieszania, szybkość ścinania i czas mieszania. Właściwa obróbka może poprawić dyspersję cząstek skrobi kukurydzianej w matrycy polimerowej, co korzystnie wpływa na zmniejszenie kruchości.
Kontakt w sprawie negocjacji zakupu
Jako wiodący dostawca PBAT, PLA i skrobi kukurydzianej oferujemy wysokiej jakości surowce do zastosowań w polimerach biodegradowalnych. Nasze produkty takie jakSurowiec kompostowalny PLA PBS,PBAT PLA, IMateriał PLAsą starannie wybierane i przetwarzane, aby zapewnić doskonałą wydajność.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak wykorzystać nasze produkty do optymalizacji właściwości biodegradowalnych kompozytów lub jesteś gotowy do rozpoczęcia negocjacji zakupowych, skontaktuj się z nami. Dokładamy wszelkich starań, aby zapewnić Państwu najlepsze rozwiązania i usługi, aby spełnić Państwa specyficzne wymagania.
Referencje
- Imię i nazwisko badacza. (Rok). „Wpływ dodatku skrobi kukurydzianej na właściwości mechaniczne kompozytów PBAT – PLA”. Journal of Polymer Science, X(XX), XX - XX.
- Imię innego badacza. (Kolejny rok). „Modyfikacja międzyfazowa skrobi kukurydzianej - nadziewany PBAT - mieszanki PLA”. Inżynieria i nauka o polimerach, Y(YY), YY - YY.