Вплив вибору пластифікатора на властивості полімерів на основі крохмалю

Автор(и)

  • Микита Андрійович Бишко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Ukraine
  • Олександр Олегович Семінський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Ukraine
  • Олег Григорович Зубрій Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2022.254154

Ключові слова:

крохмаль, пластифікатор, термопласт, гліцерин, біопластик

Анотація

Синтетичні пластики набули широкого вжитку в побуті та промисловості але стали одним із найбільших факторів забруднення довкілля. Один із шляхів зменшення забруднення полягає у заміні синтетичних пластиків їх природними аналогами. Найпоширенішою сировиною для виготовлення природних пластиків є крохмаль та целлюлоза. Біопластики з крохмалю цікаві тим, що вони легко модифікуються та можуть оброблятися за технологіями та з використанням такого ж обладнання, яке використовується і для синтетичних пластиків.

Властивості крохмального біополімеру прямо залежать від структури крохмалю, параметрами виготовлення і складу кінцевих добавок що використовуються. Крохмалі різних ботанічних похождень мають різне співвідношення «амілоза-амілопектин», що впливає на кінцеві характеристики продукту. Гарна плівкоутворювальна здатність притаманна крохмалям з ахіпи, маніоки та кукурудзи. Плівки з кукурудзяного крохмалю містять більше амілози і через це мають більшу вологостійкість але меньшу еластичність. Крохмаль з більшим вмістом амілози має вищі значення міцності на видовження і на розрив, але нижчі значення модуля пружності. Це виникає через різну чутливість амілози та амілопектину до пластифікаторів. Амілоза менш сприйнятлива до пластифікуючого ефекту, ніж амілопектин, тож молекули пластифіктора ефективніше взаємодіють з крохмалем, що містить більше амілопектину. Тому плівка з крахмалу з більшим вмістом амілопентину має кращу гнучкість та розширюваність. Амілоза впливає на газозахисні властивості плівок. Ми порівняли значення паропроникності плівок в залежності від різного ботанічного похождення та зробили висновок, що паропроникність вища для плівок з більшим вмістом амілопектину.

Тип та кількість пластифіктора важливі при одержанні термопластичного крохмалю (ТПК). Механічні параметри ТПК однаково сильно залежать від ботанічного походження крохмалю та пластифікатора, що використовується. Встановлено, що ці значення можуть відрізнятися до 88 разів для міцності на розрив, до 25 разів для деформації при розриві і до 83,2 для модуля пружності. Найвища межа міцності на розрив і модуль пружності серед розглянутих матеріалів досягнуті у рисовому крохмалі, що пластифікований сорбітом. Найнижчі значення має кукурудзяний крохмаль у композиції із гліцерином та стеариновою кислотою. Крохмальні плівки, що пластифіковані сорбітом мають більшу герметичність, ніж плівки, пластифіковані гліцерином. Сечовина, формамід та етаноламін краще працюють як пластифікатори, ніж гліцерин, даючи міцніші та однорідніші плівки. Міцність водневих зв'язків співвідноситься у такому порядку: сечовина > формамід > ацетамід > поліоли.

Біографії авторів

Микита Андрійович Бишко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Олександр Олегович Семінський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Олег Григорович Зубрій, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Посилання

European Commission, Press corner. 2021. Дата оновлення: 03.06.2019. URL: https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/MEMO_18_3909 (Дата звернення: 9 12 2020).

Sands, P., Peel, J., Fabra, A. and MacKenzie, R. Principles of International Environmental Law, 2018.

Bioplastics: A better plastic for a better environment-Projects. 2021. Дата оновлення: 07.08.2021 URL: https://ec.europa.eu/regional_policy/en/projects/italy/bioplastics-a-better-plastic-for-a-better-environment (Дата звернення: 9 12 2021).

Avérous, L. Biodegradable Multiphase Systems Based on Plasticized Starch: A Review // Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews, 2004. 44(3), P.231-274.

Röper, H. and Koch, H., The Role of Starch in Biodegradable Thermoplastic Materials // Starch - Stärke, 1990. 42(4), P.123-130.

Thermoplastically processable starch and a method of making it. Patent number: 5362777 US. #5362777A; Filled 30.08.1993; Published 08.10.1994, P.10.

GOMEZ, M. and AGUILERA, J. A Physicochemical Model for Extrusion of Corn Starch // Journal of Food Science, 1984. 49(1), P.40-43.

Donovan, J. Phase transitions of the starch-water system // Biopolymers, 1979. 18(2), P.263-275.

Rindlav-Westling, A., Stading, M., Hermansson, A. and Gatenholm, P. Structure, mechanical and barrier properties of amylose and amylopectin films // Carbohydrate Polymers, 1998. 36(2-3), P.217-224.

López, O. and García, M. Starch films from a novel (Pachyrhizus ahipa) and conventional sources: Development and characterization // Materials Science and Engineering: C, 2012. 32(7), P.1931-1940.

Phan, T., Debeaufort, F., Luu, D. and Voilley, A. Functional Properties of Edible Agar-Based and Starch-Based Films for Food Quality Preservation // Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2005. 53(4), P.973-981.

Myllärinen, P., Partanen, R., Seppälä, J. and Forssell, P. Effect of glycerol on behaviour of amylose and amylopectin films // Carbohydrate Polymers, 2002. 50(4), P.355-361.

McHUGH, T., AVENA-BUSTILLOS, R. and KROCHTA, J. Hydrophilic Edible Films: Modified Procedure for Water Vapor Permeability and Explanation of Thickness Effects // Journal of Food Science, 1993. 58(4), P.899-903.

Pushpadass, H., Marx, D. and Hanna, M. Effects of Extrusion Temperature and Plasticizers on the Physical and Functional Properties of Starch Films // Starch - Stärke, 2008. 60(10), P.527-538.

Galdeano, M., Mali, S., Grossmann, M., Yamashita, F. and García, M. Effects of plasticizers on the properties of oat starch films // Materials Science and Engineering: C, 2009. 29(2), P.532-538.

MA, X., YU, J. and WANG, N. Fly ash-reinforced thermoplastic starch composites // Carbohydrate Polymers, 2007. 67(1), P.32-39.

Liu, H., Xie, F., Yu, L., Chen, L. and Li, L. Thermal processing of starch-based polymers // Progress in Polymer Science, 2009. 34(12), P.1348-1368.

Abdorreza, M., Cheng, L. and Karim, A. Effects of plasticizers on thermal properties and heat sealability of sago starch films // Food Hydrocolloids, 2011. 25(1), P.56-60.

ROZ, A., CARVALHO, A., GANDINI, A. and CURVELO, A. The effect of plasticizers on thermoplastic starch compositions obtained by melt processing // Carbohydrate Polymers, 2006. 63(3), P.417-424.

Lourdin, D., Bizot, H. and Colonna, P. “Antiplasticization” in starch-glycerol films? // Journal of Applied Polymer Science, 1997. 63(8), P.1047-1053.

Calderón-Castro, A., Vega-García, M., de Jesús Zazueta-Morales, J., Fitch-Vargas, P., Carrillo-López, A., Gutiérrez-Dorado, R., Limón-Valenzuela, V. and Aguilar-Palazuelos, E. Effect of extrusion process on the functional properties of high amylose corn starch edible films and its application in mango (Mangifera indica L.) cv. Tommy Atkins // Journal of Food Science and Technology, 2018. 55(3), P.905-914.

Shulga, O., Chernaya, A. and Arsenieva, L. Influence of organic plasticizers on sensory, physical-mechanical properties and chemical changes of biodegradable films // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2016. 6(6 (84), P.36-42.

Smits, A., Kruiskamp, P., van Soest, J. and Vliegenthart, J. The influence of various small plasticisers and malto-oligosaccharides on the retrogradation of (partly) gelatinised starch // Carbohydrate Polymers, 2003. 51(4), P.417-424.

Stepto, R. The processing of starch as a thermoplastic // Macromolecular Symposia, 2003. 201(1), P.203-212.

Zhang, Y. and Han, J. Mechanical and Thermal Characteristics of Pea Starch Films Plasticized with Monosaccharides and Polyols // Journal of Food Science, 2006. 71(2), P.E109-E118.

Zhang, Y. and Han, J. Plasticization of Pea Starch Films with Monosaccharides and Polyols // Journal of Food Science, 2006. 71(6), P.E253-E261.

Mohammadi Nafchi, A., Moradpour, M., Saeidi, M. and Alias, A., Thermoplastic starches: Properties, challenges, and prospects // Starch - Stärke, 2013. 65(1-2), P.61-72.

Poutanen K, Forsell P. Modification of starch properties with plasticizers // TRIP, 1996. 4. P.128.

Orford, P., Parker, R., Ring, S. and Smith, A. Effect of water as a diluent on the glass transition behaviour of malto-oligosaccharides, amylose and amylopectin // International Journal of Biological Macromolecules, 1989. 11(2), P.91-96.

Da Róz A.L., Carvalho A.J.F., Gandini A., Curvеlo A.A.S. Thе еffеct of plasticizеrs on thеrmoplastic starch compositions obtainеd by mеlt procеssing // Carbohydratе Polymеrs, 2006. 63, P.417–424.

Talja, R., Helén, H., Roos, Y. and Jouppila, K. Effect of various polyols and polyol contents on physical and mechanical properties of potato starch-based films // Carbohydrate Polymers, 2007. 67(3), P.288-295.

Zhang, Y., Rempel, C. and McLaren, D. Thermoplastic Starch // Innovations in Food Packaging, 2014. P.391-412.

Dias, A., Müller, C., Larotonda, F. and Laurindo, J. Mechanical and barrier properties of composite films based on rice flour and cellulose fibers // LWT - Food Science and Technology, 2011. 44(2), P.535-542.

Pushpadass, H. and Hanna, M. Age-Induced Changes in the Microstructure and Selected Properties of Extruded Starch Films Plasticized with Glycerol and Stearic Acid // Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009. 48(18), P.8457-8463.

Müller, C., Laurindo, J. and Yamashita, F. Effect of cellulose fibers on the crystallinity and mechanical properties of starch-based films at different relative humidity values // Carbohydrate Polymers, 2009. 77(2), P.293-299.

Ma, X., Yu, J. and Wan, J. Urea and ethanolamine as a mixed plasticizer for thermoplastic starch // Carbohydrate Polymers, 2006. 64(2), P.267-273.

HUANG, M., YU, J. and MA, X. High mechanical performance MMT-urea and formamide-plasticized thermoplastic cornstarch biodegradable nanocomposites // Carbohydrate Polymers, 2006. 63(3), P.393-399.

MA, X. The plastcizers containing amide groups for thermoplastic starch // Carbohydrate Polymers, 2004. 57(2), P.197-203.

Wang, N., Yu, J., Chang, P. and Ma, X. Influence of formamide and water on the properties of thermoplastic starch/poly(lactic acid) blends // Carbohydrate Polymers, 2008. 71(1), P.109-118.

YANG, J., YU, J. and MA, X. Study on the properties of ethylenebisformamide and sorbitol plasticized corn starch (ESPTPS) // Carbohydrate Polymers, 2006. 66(1), P.110-116.

Yang, J., Yu, J. and Ma, X. Preparation and properties of ethylenebisformamide plasticized potato starch (EPTPS) // Carbohydrate Polymers, 2006. 63(2), P.218-223.

Zullo, R. and Iannace, S. The effects of different starch sources and plasticizers on film blowing of thermoplastic starch: Correlation among process, elongational properties and macromolecular structure // Carbohydrate Polymers, 2009. 77(2), P.376-383.

Yu, J., Chang, P. and Ma, X. The preparation and properties of dialdehyde starch and thermoplastic dialdehyde starch // Carbohydrate Polymers, 2010. 79(2), P.296-300.

Thuwall, M., Boldizar, A. and Rigdahl, M. Extrusion processing of high amylose potato starch materials. // Carbohydrate Polymers, 2006, 65(4), P.441-446.

Dai, H., Chang, P., Yu, J. and Ma, X. N,N-Bis(2-hydroxyethyl)formamide as a New Plasticizer for Thermoplastic Starch. // Starch - Stärke, 2008, 60(12), P.676-684.

Mehyar, G. and Han, J. Physical and Mechanical Properties of High-amylose Rice and Pea Starch Films as Affected by Relative Humidity and Plasticizer. // Journal of Food Science, 2006, 69(9), P.E449-E454.

N. Rеddy, Y. Yang. Citric acid cross-Iinking of starch fiIms. // Food Chеmistry, 2010, 118, P.702–711.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-03-29

Як цитувати

Бишко, М. А., Семінський, О. О., & Зубрій, О. Г. (2022). Вплив вибору пластифікатора на властивості полімерів на основі крохмалю. Вісник НТУУ “КПІ імені Ігоря Сікорського”. Серія: Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження, (1), 9–20. https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2022.254154

Номер

Розділ

ХІМІЧНА ІНЖЕНЕРІЯ