でんぷんベースの分解性プラスチックの解釈：架橋と修飾
はじめに：でんぷんは、天然で再生可能なポリマー化合物です。 でんぷんは、その豊富さ、入手のしやすさ、低価格のため、分解性プラスチックの研究に広く使用されています。 現在、でんぷんベースの生分解性プラスチックは、既存の市販の生分解性プラスチックの約50％を占めており、食品包装フィルム、農業用マルチフィルム、発泡プラスチックランチボックス、医療用骨組織工学足場に使用されています41。でんぷんの分子構造に対して、でんぷん自体の加工性は悪い。 従来のプラスチックと比較して、デンプンベースの分解性プラスチックの機械的特性とバリア特性は大幅に低下しており、商業的にさらに促進することはできません。 したがって、デンプンの物理的または化学的修飾は非常に重要です。 架橋はでんぷん加工の主な方法の1つです。 架橋によって形成された緊密に接続された三次元ネットワーク構造は、分子間相互作用を強化し、それによって、優れた耐熱性、耐水性、高強度および柔軟性を備えた分解性材料を得る。
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でんぷん系生分解性プラスチックの架橋法
架橋は、共有結合を形成することにより、線状または分岐したポリマー鎖をネットワーク化されたポリマーに結合するプロセスです。 異なる架橋方法によれば、架橋デンプンベースの分解性プラスチックは、化学的に架橋されたデンプンベースの分解性プラスチックと光架橋されたデンプンベースの分解性プラスチックに分けることができる。
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化学架橋
化学的架橋は、二元または複数の官能基を含む架橋剤とデンプン分子のヒドロキシル基との反応であり、ジエーテル結合またはジエステル基などの基を形成し、それによって複数のデンプン分子を架橋して空間ネットワークを形成する。構造のようなポリマー法。 一般的に使用される架橋剤は、グルタルアルデヒド、エピクロロヒドリン（ECH）、トリメタリン酸ナトリウム（STMP）、クエン酸（CA）、リンゴ酸です。 異なる架橋剤で調製されたデンプンベースの分解性プラスチックの特性も異なります。
近年、環境保護の概念の積極的な推進により、CAタイプ& quot; green" 無毒の架橋剤は研究者の間でますます人気があり、デンプンベースの分解性プラスチックを架橋するための主要な架橋剤になっています。 架橋剤を添加する時期に応じて、化学架橋は、架橋（すなわち、ポリマー成形プロセス中に反応するために架橋剤を添加する）と後架橋（すなわち、材料が形成された後、含浸される）に分けることができる。架橋剤溶液による）この方法は、分子間の架橋を引き起こす）。
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光架橋
光架橋は、デンプン系に光増感剤を添加して紫外線（UV）照射下でフリーラジカルに分解し、光増感剤を使用してデンプンのヒドロキシル基を重合させてデンプン分子を架橋する方法です。 。 澱粉ベースの分解性プラスチックを調製するために光架橋する場合、放射線量と光増感剤濃度は、材料の架橋度に影響を与える最も重要な要因です。 化学的架橋法と比較して、光架橋法は、熱水装置および架橋試薬を必要とせず、より安全でより環境に優しく、操作が簡単であり、反応を制御するのが容易である。 材料の大規模な連続生産に適合でき、バイオベースのヒドロゲルに適しています。 、ドラッグデリバリーマテリアルの準備など。
でんぷんベースの分解性プラスチックの特性に及ぼす架橋の影響
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耐水性
耐水性は、バイオベースの分解性膜材料の適用基準をテストするための重要な条件の1つです。 しかしながら、デンプンの自然な親水性のために、デンプンベースのフィルム材料は、一般に、より強い親水性およびより高い透過性を示す。 架橋修飾により、デンプンは緊密に接続された3次元ネットワーク構造を持ち、水分子の侵入と移動を効果的に防ぐことができます。 吸水率、膨潤度、および水蒸気透過率（WVP）は、デンプンベースの材料の耐水性を特徴づけるためによく使用されます。
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機械的挙動
日常の生産と生活において、包装用フィルム材料は、処理中に完全性を維持するために一定の強度と柔軟性を備えている必要があります。 架橋は、分子間および分子内の接続を確立し、デンプンの分子鎖を長くし、分子間相互作用を強化し、材料の引張強度を高め、破断点伸びを低下させます。 一般的に言えば、少量の架橋剤を加えることで、製品の性能要件を満たすことができます。 架橋度が低いと、滑りに利用できるデンプン分子の長さが長くなります。 架橋度の連続的な増加に伴い、分子間および分子内相互作用が強化され、引張強度が増加しますが、同時に分子間滑りも制限され、材料の破断点伸びが減少します。そしてもろさ。 でんぷんは強い親水性を持っています。 システム内のデンプンが多すぎると、材料が水を吸収した後に分子間力が弱まり、材料の引張強度が大幅に低下します。 RHは、架橋度とでんぷん含有量に加えて、でんぷんベースの分解性プラスチックの機械的特性にも大きな影響を与えます。 RHが40％の場合、でんぷんベースのシートの機械的特性が最高になります。 RHが低すぎると、材料がもろくなり、伸ばすと粉々になる可能性があります。 RHが高すぎると、可塑剤として大量の水分子がプラスチックシートに入り、引張強度が低下します。 硬化時間と硬化温度も、その機械的特性に影響を与える重要な要素です。
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分解性
分解性はでんぷんベースの材料の最大の利点です。 デンプンベースの材料の生分解は、通常、土壌などの自然条件下、または堆肥化条件や水性培養溶液などの特定の条件下での真菌、細菌、およびその他の微生物の生物学的活性によって引き起こされます。 土壌埋没法では、微生物を利用してデンプンを侵食し、酵素を分泌するため、材料の強度が低下します。 土壌中のプラスチックと金属塩は自動酸化を受けて過酸化物を生成し、ポリマーの分子鎖の破壊を促進して低分子物質になります。 、これはH2OとCO2になります。 堆肥化法は、微生物を使用して、固形廃棄物中の分解性有機物の、酸素条件下での安定した腐植土、H2O、およびCO2への変換を制御します。 架橋は、分子間および分子内の相互作用力を高め、材料の分解速度を低下させます。 通常の状況下では、デンプンベースの分解性プラスチックの分解度は、デンプン含有量および土壌埋没時間と正の相関があり、分解速度は、デンプン含有量、環境湿度、架橋度、および可塑剤含有量と正の相関があります。
架橋澱粉系分解性プラスチックの改質法
架橋により形成されたコンパクトな三次元ネットワーク構造により、架橋デンプンベースの分解性プラスチックの性能はある程度改善されていますが、それでも一般的なプラスチックの基準を満たしていません。 したがって、他のポリマー材料とのブレンド、ナノ材料の強化、複数の変更、疎水性コーティングのコーティングなど、さらに変更する必要があります。
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天然高分子ブレンドの変更
Geng Shengrongらは、STMPを使用してでんぷんとこんにゃくフライ粉末のブレンドシステムを架橋し、キャスティングフィルム成形法によって優れた耐水性と機械的特性を備えた分解性ブレンドフィルムを調製しました。 この研究の結果は、ネットワーク構造を持つグルコマンナンがデンプンの沈降を抑制し、ブレンドシステムの適合性を改善するのに有益であることを示しています。 次に、適切な量のPVAをシステムに追加してブレンドします。 PVAは、フィルムの耐水性と機械的特性を向上させますが、システムの互換性が低下します。 Li etal。 架橋剤としてグルタルアルデヒドを使用し、キャスティング法により耐水性に優れたジャガイモ/ CS複合架橋フィルムを作製しました。 同時に、CSはフィルムに独自の抗菌特性を与え、生物医学や食品保存に使用できるようにしました。 この分野は広く使われています。 純粋なデンプンベースのフィルムと比較して、他の生体高分子とブレンドおよび架橋されたデンプンベースのフィルムの特性が改善されています。 同時に、他の生体材料もデンプンベースのフィルムにいくつかの追加の特性をもたらすことができます。 この方法は、新しい澱粉ベースの膜材料の新しいトレンドを準備することです。
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分解性ポリエステルの配合改質
ポリエステル&＃39;の優れた機械的特性と耐水性の助けを借りて、デンプンを分解性ポリエステルとブレンドすると、デンプンフィルムの性能の欠如を効果的に補うことができます。 混合システムの場合、複数の物質の適合性は、材料の機械的特性に影響を与える重要な要素です。 ECHとグリセリンを使用してでんぷんを改質し、次に加工デンプンをPLAとブレンドし、ホットプレスプロセスでフィルムを作成できます。 でんぷん分子のヒドロキシル基はECH分子によって架橋されてエーテル基を形成し、それによってでんぷんの親水性を変化させます。 結果は、デンプンの架橋および可塑化修飾が、PLAとの適合性を改善し、その機械的特性を向上させることを示しています。 三元ブレンドフィルムは、デンプン/ PVA / CAのさまざまな比率で調製できます。
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ナノフィラー強化修飾
分解性ポリエステルに加えて、セルロースとナノ粒子は、デンプンベースの分解性プラスチックの機械的特性を研究するために近年一般的に使用されているフィラーでもあります。 Balakrishnanらによる研究。 セルロースナノファイバー（CNF）とセルロースナノクリスタル（CNC）はデンプン膜に対してより優れた強化効果を持ち、CNFはCNCよりも優れた強化効果を持っていることを示しています。 これは主に、セルロースとでんぷんが多糖類であり、構造が類似しており、ヒドロキシル基間で強い水素結合が形成されやすく、界面接着性が非常に強いためです。 CNCは、結晶化度の高い針状の形態をしています。 一方、CNFは、アスペクト比が大きく、デンプンとの高度な絡み合いがあり、分子間の相互作用が大きいネットワーク構造を持っています。 でんぷんベースのフィルム材料の機械的特性を改善します。
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疎水性コーティングの変更
でんぷん系フィルムの耐水性を向上させるために、疎水性コーティングなどの表面処理も可能です。 調製した小麦グルテンフィルムと発泡デンプントレイをトリアセテート-ジクロロメタン溶液に浸します。 溶剤のゆっくりとした揮発は、材料の表面にコーティング膜を形成します。 トリアセテートでんぷんコーティングは、材料の耐水性を大幅に向上させます。 デンプンベースのフォームをコーティングするための原料としてPLAを使用する場合、PLAコーティングはフォームとの適合性が低くなりますが、フォームの密度、引張強度、および衝撃強度は向上します。
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複数の化学修飾
複数の修飾方法を包括的に使用して調製された架橋デンプンベースのフィルム材料の性能は、単一の架橋修飾デンプンフィルムの性能よりも優れています。 複数の化学修飾は、デンプンベースの分解性フィルムの性能を改善するための主流の傾向です。 架橋酸化澱粉フィルム（C-OSフィルム）と酸化架橋澱粉フィルム（O-CSフィルム）をそれぞれ過酸化水素とホウ酸で調製した場合、O-CSフィルムは部分的であるためより多くの利点があります。最初の酸化によるデンプン分子の分解。 高い親水性により、フィルムはより柔軟になります。 C_OSフィルムは、最初の架橋により架橋度が高く、耐水性と強度が優れています。 疎水性で親油性の複合ポリオール可塑化加工デンプンは、コーンスターチにSTMP架橋、アルミン酸塩カップリング剤表面処理、複合可塑剤可塑化を連続して行い、PCLとブレンドしてフィルムにカレンダすることにより調製しました。大幅に改善されます。 Sukhija etal。 架橋剤としてSTMP、酸化剤として次亜塩素酸ナトリウムを使用して、架橋酸化二重修飾レンコン澱粉を調製し、濃縮ホエータンパク質、グリセリン、オオバコの外皮とブレンドし、キャスティング法で調製しました。 でんぷんベースのフィルムが得られ、フィルムの熱安定性、機械的特性、および耐水性が大幅に改善されます。 複数の変更を行うと、材料の性能が向上するだけでなく、デンプンベースの材料の製造コストも増加します。 したがって、より良い性能を得るためにより少ない修正方法を選択することが、デンプンベースの分解性プラスチックに関する将来の研究の焦点です。
架橋澱粉系分解性プラスチックの今後の開発方向
架橋澱粉ベースの分解性プラスチックの使用は、& quot;白& quot;の問題を軽減するための重要な方法の1つです。 汚染。 しかし、何年にもわたる研究開発の結果、主にそのコストと性能のために、この材料はまだ大量生産および適用されていません。 完全に架橋された澱粉ベースの分解性プラスチックは優れた分解特性を持っていますが、その機械的特性と耐水性は一般的なプラスチックの基準に達するのが困難です。 使用要件を満たす澱粉ベースの完全分解性プラスチックを得るためには、澱粉の単純な架橋修飾では十分とは言えません。 それは、複雑な修正方法の包括的な適用またはポリエステルとのブレンドによって達成されなければなりません。 結果として生じる高いコストは必然的に材料の商業的宣伝を妨げるでしょう。 現在、市場で生産されている架橋澱粉ベースの完全分解性プラスチックの価格は、汎用プラスチックの4〜10倍です。 これらは主に、一部の高級化粧品や一部の医薬品（外科用縫合糸や薬物放出カプセルなど）のアウトソーシングやパッケージングに使用されます。 ）。
しかし、でんぷんはバイオベースのプラスチックの最も競争力のある原材料の1つであり、持続可能な開発戦略において幅広い用途が見込まれています。 現在、でんぷん分解性ポリエステルブレンドプラスチックは、市場で最も成熟した完全分解性の製品です。 将来的には、研究者は低コストで高性能のデンプンベースの分解性プラスチックの開発に専念する必要があります。 主に以下の研究の方向性があります。
1.変更プロセスでは、安全で環境に優しい変更方法を使用する必要があります。また、劣化や堆肥化を促進するために、グリーンで汚染のない添加剤を可能な限り使用する必要があります。
2.混合澱粉ベースの分解性プラスチックの場合、材料の製造コストを削減するための性能要件を満たすことを前提として、使用する澱粉の量を可能な限り増やす必要があります。 同時に、優れた機械的特性を得るためには、ブレンドは良好な適合性を備えている必要があります。
3.キトサン、PVAなどを添加してデンプン材料に抗菌特性を与える、ロジンを添加してデンプンベースの材料に抗菌特性を与えるなど、デンプンベースの分解性プラスチックに多機能特性を与えるための新しい材料を導入します。でんぷんベースの分解性プラスチック市場の用途を拡大します。
4.澱粉系生分解性プラスチックの商業的連続大量生産を促進するために、鋳造フィルム法の代わりに、改良された成形法、押出ブロー成形法などの使用など、材料の生産のエネルギー消費を削減する新しいプロセスを開発します。 。
特許取得済みの完全生分解性フィルムとPVAバッグを提供しています。すべての製品は鋳造装置で製造されています。従来のブロー成形製品とは異なり、すべてのブロー成形製品は非完全生分解性です。 完全に透明でさまざまな色のpvaフィルムやバッグを製造できます。 また、PVAフィルムは従来のブロー成形製品よりも滑らかです。
また、特許取得済みの原材料と製造プロセスを備えた有機材料の完全な生分解性フィルムとバッグも提供しています。
その他のPVAフィルムおよびバッグ製品については、以下をご覧ください。
http://www.joyful-printing.net/pva-bag/
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