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

A kommunális hulladék megoszlása

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! 