Termoplasztikus keményítő

Az előadások a következő témára: "Termoplasztikus keményítő"— Előadás másolata:

1 Termoplasztikus keményítő

2 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

3 A kommunális hulladék megoszlása

4 Magyarország, 2003 A hulladék jelentős része szemétlerakó telepekre, vagy égetőkbe kerül. Csekély az újrahasznosítás és komposztálás mértéke.

5

6 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)

7 Egyik megoldás a komposztálás
Lebomlás ellenőrzött körülmények között; 30-60 nap lebomlási idő.

8 Természetes polimerek és származékaik
Cellulóz alapú cellulóz kompozitok cellulóz acetát Kitin, kitozán Szója alapú anyagok Keményítő alapú keményítő kompozitok habosított keményítő

9 Politejsav villa biológiai lebomlása
0. nap 12. nap 33. nap 45. nap

10 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: egységenként elágazó láncú, a-D-(1,4) és a-D-(1,6) kötésekkel, polimerizációs fok (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.

11 Az amilóz és az amilopektin 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.

12 A termoplasztikus keményítő és alkalmazási lehetőségei
A képen látható termoplasztikus keményítő/poliolefin keverékek összeférhetősége rossz.

13 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 ( °C között)

14 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.

15 A keményítő lágyítása + Keményítő,glicerin fröccsöntés extrúzió
A termoplasztikus keményítő melegítéskor

16 Keményítő Vízfelvétel
50 %-os páratér %-os páratér

17 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)

18 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.

19 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)

20 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

21 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.

22 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

23 Köszönjük a figyelmet! 