Transcript Termoplasztikus keményítő_ea(3)

Termoplasztikus keményítő
Bevezetés
• A műanyagok felhasználásának mértéke folyamatosan nő
(150 millió t/év a világ műanyagipari termelése)
• Kis sűrűségű, kémiailag, biológiailag inert anyagok
• Nagy mennyiségű hulladék keletkezik belőlük
(USA 150 kg/fő/év, Magyarország 65 kg/fő/év a felhasznált
mennyiség)
• Az égetéses és lerakásos hulladékkezelési gondok
mérséklése miatt kerültek a figyelem középpontjába a
biológiailag lebomló polimerek
0
Veszélyes
Fém
Eü
Üveg
Textil
Papír
Műanyag
Szervetlen
Szerves
Hulladék (%)
A kommunális hulladék megoszlása
40
30
20
10
90
80
Hulladék (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
Lerakás (+)
Égetés
Lerakás (-)
Hasznosít
Egyéb
Magyarország, 2003
A hulladék jelentős része szemétlerakó telepekre, vagy
égetőkbe kerül. Csekély az újrahasznosítás és
komposztálás mértéke.
Biológiai lebomlás
Egy műanyagot akkor tekintünk
biológiailag lebomlónak, ha
-degradációja az ismert
biodegradálódó anyagok
lebomlásával azonos
sebességű és fokú
-szemmel nem látható, nem
felismerhető részekre bomlik
-nem ökotoxikus (és
komposztálás esetén a
bomlástermékek a keletkező
komposzt minőségét nem
rontják)
Egyik megoldás a komposztálás
Lebomlás ellenőrzött körülmények között;
30-60 nap lebomlási idő.
Természetes polimerek és származékaik
Cellulóz alapú
cellulóz kompozitok
cellulóz acetát
Kitin, kitozán
Szója alapú anyagok
Keményítő alapú
keményítő kompozitok
habosított keményítő
Politejsav villa biológiai lebomlása
0. nap
12. nap
33. nap
45. nap
A keményítő
• Az energia kétféle glükóz-polimer formában (amilóz, amilopektin)
raktározódik
• Amilóz: lineáris polimer, a-D-(1,4) kötésekkel, polimerizációs fok
6000-ig terjedhet, a láncok egyszeres vagy dupla hélix
szerkezeteket alkotnak egymással vagy önmagukkal.
• Amilopektin: 20-25 egységenként elágazó láncú, a-D-(1,4) és a-D(1,6) kötésekkel, polimerizációs fok 2 000 000 (a természetben
előforduló legnagyobb molekula).
Szerkezetét nyaláb-modellel írják le: a láncok egy nyalábhoz
tartoznak, vagy többet kötnek össze. A rövid láncok (12-16) dupla
hélixet alkotnak, nyalábokba rendeződnek, amit a hosszabb láncok
(~40) kötnek össze.
• Az amilóz és az amilopektin 1-100 mm méretű szemcsékbe
rendeződnek, melyek vizet, kevés lipidet és fehérjét is
tartalmaznak (származásfüggő)
• A két glükóz-polimer arányától függően háromféle
kristályformát figyeltek meg: A (gabona), B (burgonya), C (a
kettő közti átmenet)
• A natív keményítőben az elágazó részek amorfak, míg az
amilopektin külső egyenes láncai dupla hélixszel koncentrikus
rétegekkel kristályosodik a granulákban.
• A későbbi feldolgozás szempontjából fontos a kristályos és
amorf részek aránya.
A termoplasztikus keményítő és alkalmazási lehetőségei
A képen látható termoplasztikus keményítő/poliolefin keverékek
összeférhetősége rossz.
A termoplasztikus keményítő és alkalmazási lehetőségei
A keményítő nagy molekulatömegű természetes polimer, így
önmagában is felhasználható műanyagokhoz hasonló
termékek előállítására.
Az amilóz és amilopektin láncok nagy számú hidrogén-kötést
képesek létrehozni, ez stabil szerkezetet eredményez,
melynek eredménye a magas olvadáspont (257°C).
A láncok degradációja ennél alacsonyabb hőmérsékleten
megindul (230- 250 °C között)
A feldolgozást lágyítószerek alkalmazása teszi lehetővé,
amellyel a bomlási hőmérséklet alatt is megolvasztható az
anyag.
Lágyítószerek:
-kis molekulájú, hidrogén-kötés kialakítására képes anyagok
(víz, glicerin)
-a víz a legalkalmasabb, mert kis molekulája könnyen
bediffundál a keményítőláncok közé, négy H-hidat kialakítva
A termoplasztikus keményítő (TPS) tehát keményítőből és
megfelelő mennyiségű lágyítóból áll, melyet előzetes
összekeverés után valamilyen műanyag-feldolgozó eljárással
(préselés, extrúzió, fröccsöntés, fúvás) állítanak elő.
A keményítő lágyítása
Keményítő,glicerin
fröccsöntés
extrúzió
+
A termoplasztikus keményítő melegítéskor
Keményítő
Vízfelvétel
50 %-os páratér
100 %-os páratér
Vízfelvétel vizsgálata
• A minta: 4 g-os, 1-2 mm vastag préselt TPS lapok
• 50%-os párateret hoztak létre kénsavval (33%), illetve 100%-os
párateret vízzel (exszikkátorban)
• A minta tömegének növekedését mérték óránként, majd naponta,
hetente, ahogy csökkent a vízfelvétel sebessége
• Három hét múlva megjelentek a penészgombák, mely a
biodegradálhatóság egyik bizonyítéka
• 30 nap alatt érte el a minta az egyensúlyi víztartalmat, ami kb. 9
tömeg%-os víztartalom növekedést jelent
(A vizsgálatot a BME Műanyag Tanszékén végezték)
Nanokompozitok
• A polimereket sokféle természetes vagy szintetikus töltőanyaggal
társítják, hogy javítsák tulajdonságaikat (üveg-, szénszál),
csökkentsék a céltermék árát (pl. CaCO3 ).
• A makroszkopikus erősítő anyagok hiányossága a kis fajlagos
felület. Így kevés kölcsönhatás jön létre a mátrixpolimerrel.
• Nanoméretű a töltőanyag, ha legalább egy dimenzióban
nanométeres nagyságú (lemezes szilikátok, agyagásványok), de
előfordulhat, hogy 2 (szén nanocsövek), vagy 3 irányban (módosított
sziloxán részecskék) is.
• A lemezes szerkezetű agyagásványok (montmorillonit) egyedi
rétegei 1 nm vastagságúak (csak 3 fémoxid réteg lemezenként) és
tökéletes kristályszerkezetűek.
• A nátrium-montmorillonit (NaMMT) jelentősen eltér az
általánosan alkalmazott töltőanyagoktól (talkum, csillám), mivel
1nm-es rétegekre bontható.
• Polimerbe keverve háromféle szerkezet alakulhat ki:
fázisszeparált mikrokompozit (rétegek nem válnak el)
interkaláció (kevés polimer behatol a rétegek közé, 2-4nm re
növelve a köztük lévő távolságot)
exfoliáció/delamináció (a szilikát rétegek eltávolodnak
egymástól, megszűnik a párhuzamos szerkezet)
• Az ideális nanokompozit egyedi lemezkékből áll, melyek a
polimerben egyenletesen vannak eloszlatva  így a legjobb
a tulajdonságjavító hatás
• Előny: csökken a termék tömege, javul a gázzárás
(élelmiszercsomagolás), javul a rugalmasság, kevésbé
törékeny a nanokompozit, átlátszó marad, sűrűség nem nő
jelentősen.
• Hátrány: nanokomponensek nehezen diszpergálhatóak a
polimerben, magas költségek
A TPS felhasználása
-
ott, ahol nagy mennyiségben rövid ideig használnak fel
műanyag termékeket, ill. nincs szükség különleges mechanikai
és termikus tulajdonságokra.
- mezőgazdaság: palántacserepek (a növény nem sérül, a „cserép”
1-2 hónap alatt lebomlik, a TPS anyagába ásványi anyagok
keverhetőek, melyek fokozatosan adagolódnak), talajtakaró
fóliák
- tasakok, fóliák, zacskók,
egészségügyi termékek,
élelmiszerek csomagolóanyagai,
gyorséttermek stb.
Összefoglalás
A termoplasztikus keményítőt már számos területen
alkalmazható, de több probléma gátolja, hogy kiváltsa a
tömegműanyagokat.
Néhányat megemlítve:
-gyenge termikus stabilitás
-érzékenység hidrolízisre
-vízfelvétel – dagadás, zsugorodás
-gyenge mechanikai tulajdonságok, törékenység, ridegség
-időben gyorsan változó tulajdonságok, fizikai öregedés
Köszönjük a figyelmet! 