CZ2022326A3 - Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu - Google Patents
Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2022326A3 CZ2022326A3 CZ2022-326A CZ2022326A CZ2022326A3 CZ 2022326 A3 CZ2022326 A3 CZ 2022326A3 CZ 2022326 A CZ2022326 A CZ 2022326A CZ 2022326 A3 CZ2022326 A3 CZ 2022326A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- phb
- biodegradable material
- rate
- crystalline phase
- extrusion
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 title claims abstract description 19
- -1 poly(3-hydroxy butyric acid) Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 8
- DMWVYCCGCQPJEA-UHFFFAOYSA-N 2,5-bis(tert-butylperoxy)-2,5-dimethylhexane Chemical compound CC(C)(C)OOC(C)(C)CCC(C)(C)OOC(C)(C)C DMWVYCCGCQPJEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 2-(2-phenylpropan-2-ylperoxy)propan-2-ylbenzene Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(C)(C)OOC(C)(C)C1=CC=CC=C1 XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229920000903 polyhydroxyalkanoate Polymers 0.000 description 8
- 208000037534 Progressive hemifacial atrophy Diseases 0.000 description 7
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 7
- 238000012017 passive hemagglutination assay Methods 0.000 description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 6
- 238000001907 polarising light microscopy Methods 0.000 description 6
- 239000005014 poly(hydroxyalkanoate) Substances 0.000 description 6
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical compound O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001451 organic peroxides Chemical class 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004342 Benzoyl peroxide Substances 0.000 description 3
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 description 3
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 3
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000007515 enzymatic degradation Effects 0.000 description 3
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920000070 poly-3-hydroxybutyrate Polymers 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012552 review Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- YIVJZNGAASQVEM-UHFFFAOYSA-N Lauroyl peroxide Chemical compound CCCCCCCCCCCC(=O)OOC(=O)CCCCCCCCCCC YIVJZNGAASQVEM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UYXTWWCETRIEDR-UHFFFAOYSA-N Tributyrin Chemical compound CCCC(=O)OCC(OC(=O)CCC)COC(=O)CCC UYXTWWCETRIEDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 2
- 229920000704 biodegradable plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- LQZZUXJYWNFBMV-UHFFFAOYSA-N dodecan-1-ol Chemical compound CCCCCCCCCCCCO LQZZUXJYWNFBMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N dodecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCC(O)=O POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 2
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 2
- 238000012667 polymer degradation Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 2
- 235000013599 spices Nutrition 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- VMPHSYLJUKZBJJ-UHFFFAOYSA-N trilaurin Chemical compound CCCCCCCCCCCC(=O)OCC(OC(=O)CCCCCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCCCCCC VMPHSYLJUKZBJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940070710 valerate Drugs 0.000 description 2
- IUPHTVOTTBREAV-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxybutanoic acid;3-hydroxypentanoic acid Chemical compound CC(O)CC(O)=O.CCC(O)CC(O)=O IUPHTVOTTBREAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000588813 Alcaligenes faecalis Species 0.000 description 1
- 101100356712 Arabidopsis thaliana RIBA1 gene Proteins 0.000 description 1
- 241000589151 Azotobacter Species 0.000 description 1
- 241000193830 Bacillus <bacterium> Species 0.000 description 1
- 229920013642 Biopol™ Polymers 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001528539 Cupriavidus necator Species 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 239000005639 Lauric acid Substances 0.000 description 1
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 229940005347 alcaligenes faecalis Drugs 0.000 description 1
- 125000001931 aliphatic group Chemical group 0.000 description 1
- 229920003232 aliphatic polyester Polymers 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004621 biodegradable polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000013043 chemical agent Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000007334 copolymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005183 environmental health Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229920000578 graft copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003898 horticulture Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000002667 nucleating agent Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 230000008560 physiological behavior Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 108010040046 poly-beta-hydroxybutyrate depolymerase Proteins 0.000 description 1
- 229920002959 polymer blend Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000979 retarding effect Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004736 wide-angle X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L67/00—Compositions of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L67/06—Unsaturated polyesters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K5/00—Use of organic ingredients
- C08K5/04—Oxygen-containing compounds
- C08K5/14—Peroxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L2201/00—Properties
- C08L2201/06—Biodegradable
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02W90/10—Bio-packaging, e.g. packing containers made from renewable resources or bio-plastics
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Biological Depolymerization Polymers (AREA)
Abstract
Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu je připravitelný vytlačováním v mikroextrudéru a následným tvarováním produktu na fólii technologií lisování, přičemž směs pro vytlačování obsahuje kyselinu poly(3-hydroxy máselnou) a přídavek 0,25 až 2 d. hmotn. 2,5-dimethyl-2,5-di(terc-butylperoxy)hexanu na 100 d. hmotn. kyseliny. Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu má rychlost mineralizace/biodegradace v půdním prostředí v rozmezí 70 až 120 µg C/den. Podíl krystalické fáze u výše uvedeného materiálu činí s výhodou v rozmezí od 45 do 70 % hmotn., přičemž krystalická fáze obsahuje jak drobnosférolitické struktury, tak pseudosférolity.
Description
Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu
Oblast techniky
Vynález se týká biodegradabilního materiálu na bázi kyseliny poly(3-hydroxymáselné) s nastavitelnou rychlostí rozkladu, určeného především pro výrobu jednorázových biologicky rozložitelných produktů s řízenou životností, jako jsou například podnosy, kelímky, talíře, příbory, květináče, kořenáče.
Dosavadní stav techniky
Biologicky odbouratelné polymery nabyly na významu díky rostoucímu zájmu naší společnosti o ekologii a udržitelný rozvoj.
Kyselina poly(3-hydroxymáselná) (PHB) patří mezi polyhydroxyalkanoáty, jedná se o polymer spadající do třídy polyesterů. Tento materiál je produkován řadou bakterií, mezi něž patří například Cupriavidusnecator, Bacillus, několik druhů Pseudomonas, nebo Azotobacter.
PHB je vysoce krystalický termoplastický polymer. Jako alifatický a 100% izotaktický stereoregulární polyester je PHB nerozpustný ve vodě. PHB vykazuje vysokou odolnost proti vlhkosti a má výborné bariérové vlastnosti vůči plynům, je opticky aktivní, piezoelektrický a biologicky odbouratelný. Tyto vlastnosti z něj činí perspektivní alternativu k plastům na ropné bázi. Nicméně, PHB podléhá rychlému biologickému rozkladu ve všech typech prostředí, což snižuje jeho aplikační potenciál, proto je snaha jeho biologický rozklad účelově řídit. Z tohoto důvodu byla rozsáhle studována příprava roubovaných nebo blokových kopolymerů, síťování, přídavky nízkomolekulárních i vysokomolekulárních polymerních modifikátorů, přídavky plastifikátorů, nukleačních činidel a různých mikro a nanovláken (YEO, Jayven Chee Chuan, et al. Recent advances in the development of biodegradable PHB-based toughening materials: Approaches, advantages and applications. Materials Science and Engineering: C, 2018, 92: 10921116.).
Například práce Yoshie a kol. (2000) řeší možnost řízení biologického rozkladu PHB pomocí přídavku nízkomolekulárních přísad jako je dodekanol, kyselina laurová, tributyrin a trilaurin. Enzymatická degradace filmů směsí PHB a aditiv připravených lisováním za tepla byla zkoumána ve vodném roztoku PHB depolymerázy purifikované z Alcaligenes faecalis T1. Směsi vykazovaly degradovatelnost odlišnou od čistého PHB. Poměrně malé množství (1 % hmotn.) přísady působí jako akcelerátor enzymatické degradace PHB, zatímco větší množství (9 % hmotn.) přísady působí jako retardant. Všechny přísady zkoumané v této studii vykazovaly podobný trend. Zpomalovací účinek přísad pozorovaný u směsí PHB obsahujících 9 % hmotn. přísady je připisován migraci přísady na povrchu filmu. Přísady na povrchu zabraňují útoku enzymů na molekuly PHB. Výsledky diferenciální skenovací kalorimetrie směsí PHB/aditivum však poukázaly na špatnou mísitelnost testovaných aditiv s PHB, což je technologickou nevýhodou těchto řešení. (YOSHIE, Naoko, et al. Effect of low molecular weight additives on enzymatic degradation of poly (3-hydroxybutyrate). Polymer, 2000, 41.9: 3227-3234).
Dalším příkladem může být práce Chen a kol. (2003), která upozorňuje na možnost řízení biologického rozkladu pomocí roubování maleinanhydridu (MA) na PHB za použití benzoylperoxidu jako iniciátoru. V rámci této práce byly zkoumány účinky různých podmínek polymerace na stupeň roubování, včetně rozpouštědel, koncentrací monomeru a iniciátoru, reakční teploty a času. Koncentrace monomeru a iniciátoru hrály důležitou roli při roubované kopolymerizaci a stupeň roubování mohl být řízen v rozsahu od 0,2 do 0,85 % změnou reakčních podmínek. Krystalizační chování a tepelná stabilita PHB a maleinovaného PHB byly studovány pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie, širokoúhlové rentgenové difrakce, optické
- 1 CZ 2022 - 326 A3 mikroskopie a termogravimetrické analýzy. Výsledky ukázaly, že po naroubování MA se krystalizační chování PHB zjevně změnilo. Se zvyšujícím se stupněm roubování se pruhovaná textura sférolitů stala zřetelnější a uspořádanější. Kromě toho byla tepelná stabilita maleinovaného PHB zjevně zlepšena ve srovnání s čistou PHB. Teplota jeho tepelného rozkladu se zvýšila asi o 20 °C. Avšak zavedením skupiny MA došlo k razantnímu zvýšení rychlosti biologického rozkladu PHB v důsledku radikálově indukovaného štěpení řetězce PHB. (CHEN, Cheng, et al. Synthesis and characterization of maleated poly(3-hydroxybutyrate). Journal of Applied Polymer Science, 2003, 88.3: 659-668.)
Jako příklad lze uvést také práci Wada, Y a kol. (2006), kteří navrhují využití radiační techniky pro chemickou modifikaci PHB roubováním kyseliny akrylové (AAc). Nicméně, aby bylo možné řídit biologický rozklad, je podle autorů nezbytně nutné následné tepelné zpracování (lisování) připraveného kopolymeru PHB-g-AAC, což je nevýhodou tohoto postupu. (WADA, Yuki, et al. Control of biodegradability of poly(3-hydroxybutyric acid) film with grafting acrylic acid and thermal remolding. Journal of applied polymer science, 2006, 101.6: 3856-3861.)
Dále je možno zmínit chemickou modifikaci PHB organickými peroxidy, jako je dikumylperoxid (DCP), benzoylperoxid (BPO) a lauroylperoxid (LPO) (PRZYBYSZ-ROMATOWSKA, Marta, et al. Reactive extrusion of biodegradable aliphatic polyesters in the presence of free-radicalinitiators: A review. Polymer Degradation and Stability, 2020, 182: 109383) nebo reaktivní modifikací PHB pomocí DCP a multifunkčního koagentu traillyl trimesteru (TAM) (KOLAHCHI, Ahmad Rezaei, et al. Chain extended poly(3-hydroxybutyrate) with improved rheological properties and thermal stability, through reactive modification in the melt state. Polymer degradation and stability, 2015, 121: 222-229).
Dokument WO 9914268 A1, 1999-03-25 řeší základní technologické parametry tepelného zpracování síťovaných PHA při výrobě PHA povlaků, filmů a výlisků. Kompozice síťovaných PHA jsou vyráběny podle dokumentu WO 9914268 A1 tavením PHA v přítomnosti nízkých hladin iniciátorů volných radikálů za podmínek uvedených v tomto dokumentu (viz příklad 1 a 2). Tento dokument tak řeší síťované PHA, jejichž postup přípravy i finální vlastnosti neumožňují dosažení řízené rychlosti rozkladu. V příkladu 1 je autory dokumentu specifikován PHA - komerční produkt Biopol (Monsanto company). Jedná se o polyhydroxybutyrát-ko-valerát obsahující 8 % valerátu, což jez pohledu chemických interakcí probíhajících při zpracování jednotlivých komponent čistá kyselina poly(3-hydroxymáselná). Nevýhodu představuje skutečnost, že dle příkladů prezentovaných v dokumentu se jedná o síťování dikumylperoxidem.
Výše uvedené modifikace PHB popsané ve zmiňovaných dokumentech, vykazují některé nedostatky:
- chemická nekompatibilita, tj. špatná mezifázová adheze a separace fází PHB a dalších přísad, která brání mísení a vzniku kvalitní polymerní směsi; Yoshie a kol. (2000);
- migrace některých typů přísad na povrch materiálu; Yoshie a kol. (2000);
- technika roubování často vede k nežádoucímu zvýšení rychlosti biologického rozkladu v důsledku radikálově indukovaného štěpení řetězce PHB; Chen a kol. (2003), Wada a kol. (2006);
- v některých případech vede chemická modifikace k nežádoucímu potlačení biologického rozkladu a míra biologického rozkladu pak velmi často nedosahuje obecně požadovaných hodnot mineralizace dle mezinárodních norem ISO 9408 (2000), ISO 14855 (2012), ISO 17556 (2019), ISO 19679 (2018) a dalších; JAIN, Roopesh; TIWARI, Archana.
Biosynthesis of planet friendly bioplastics using renewable carbon source. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2015, 13.1: 1 až 5.; RIBBA, Laura, et al.
- 2 CZ 2022 - 326 A3
Biodegradable plastics in aquatic ecosystems: latest findings, research gaps, and recommendations. Environmental Research Letters, 2022, 17.3: 033003;
- aplikace některých specifických technik přípravy např. radiačních technik v plastikářském průmyslu není příliš rozšířená, neboť vyžadují speciální drahé zařízení, často se jedná o vysokoenergetické procesy a pro finalizaci produktu jsou nezbytné další zpracovatelské procesy; Przybysz-Romatowska a kol. (2020). Autoři ve své přehledové práci diskutují hlavní výhody a nevýhody související s reaktivní extruzí PHAs a jejich směsí v přítomnosti radikálových iniciátorů z pohledu technologicko-zpracovatelských vlastností. V souvislosti s čistou kyselinou poly(3-hydroxymáselnou) byly doposud publikovány pouze práce využívající jako iniciátor volných radikálů dikumylperoxid (DCP), což tato přehledová studie potvrzuje;
- aplikace některých organických peroxidů, jako např. DCP v praxi je rovněž diskutabilní, neboť se jedná o velmi nestabilní chemické činidlo; LU, Kai-Tai, et al. Investigation of the decomposition reaction and dust explosion characteristics of crystalline dicumyl peroxide. Process Safety and Environmental Protection, 2010, 88.5: 356 až 365. Stejně tak v dokumentu WO 9914268 A1, který je rovněž postaven na síťování DCP, není řešena problematika modifikace nadmolekulární struktury, resp. morfologie krystalické fáze v souvislosti s mikrobiální degradací čisté kyseliny poly(3-hydroxymáselné).
Dosud známé modifikace PHB jsou přitom řešeny specificky pro jednotlivé materiály jak z pohledu celkového složení, tak postupu přípravy i finálních vlastností. Nejsou známé biodegradabilní materiály na bázi takové kombinace PHB s dalšími složkami, která by umožnila nastavení rychlosti biologického rozkladu v intervalu požadovaném u výše uvedených nejrozšířenějších aplikací.
Podstata vynálezu
Uvedené nevýhody modifikací materiálů na bázi PHB do značné míry odstraňuje biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že materiál je připravitelný vytlačováním v mikroextrudéru a následným tvarováním produktu na fólii technologií lisování, přičemž směs pro vytlačování obsahuje kyselinu poly(3hydroxymáselnou) a přídavek 0,25 až 2 d. hmotn. 2,5-dimethyl-2,5-di( terc-butylperoxy)hexanu na 100 d. hmotn. této kyseliny.
Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu podle vynálezu má s výhodou rychlost mineralizace/biodegradace v půdním prostředí v rozmezí 70 až 120 pg C/den. Podíl krystalické fáze u biodegradabilního materiálu podle vynálezu je s výhodou v rozmezí od 45 do 70 % hmotn., přičemž krystalická fáze obsahuje jak drobnosférolitické struktury, tak pseudosférolity.
Materiál podle vynálezu je chemicky modifikován pro dosažení specifické morfologie krystalické fáze a nízkého stupně krystalinity, což obojí ovlivňuje rychlost jeho rozkladu.
Biologická rozložitelnost PHB je v základním měřítku odrazem nejen jeho chemické struktury, ale také molekulové a nadmolekulární struktury, která souvisí s uspořádáním makromolekul vůči sobě navzájem. V případě PHB mají vysoká krystalinita a stereoregularita spolu s nízkou rychlostí krystalizace za následek tvorbu sférolitických útvarů při procesu zpracování, přičemž velikost prstencových sférolitů se může lišit ve velkém rozsahu, od několika mikronů až po jeden milimetr, v závislosti na čistotě PHB, přísadách a úpravách. V rámci výzkumu účinků nadmolekulární struktury, resp. morfologie krystalické fáze na mikrobiální degradaci PHB bylo zjištěno, že vývoj krystalinity má vliv na rychlost mikrobiální degradace PHB, přičemž krystalová struktura PHB ovlivňuje fyziologické chování PHB degradujících bakterií.
- 3 CZ 2022 - 326 A3
K řízenému nastavení biologické rozložitelnosti podle vynálezu je využito vlivu nadmolekulární struktury, resp. morfologie krystalické fáze na rychlost biologického rozkladu.
Hlavní výhodou řešení podle vynálezu je skutečnost, že přídavek organického peroxidu 2,5dimethyl-2,5-di(terc-butylperoxy)hexanu (DBPH) umožňuje řídit morfologii krystalické fáze, neboť při tepelném rozkladu DBPH vznikají volné radikály Ro·, které reagují s vodíkovými skupinami přítomnými v polymerním řetězci. To vede k restrukturalizaci polymerního řetězce, která má za následek změnu morfologie a v neposlední řadě i krystalinity PHB.
Klíčovou výhodou vynálezu je tedy skutečnost, že změna hmotnostního poměru mezi PHB a DBPH umožňuje laditelnost rychlosti biologického rozkladu.
Další výhodou řešení podle vynálezu je skutečnost, že DBPH je komerčně dostupný organický peroxid ze skupiny tzv. luperoxidů, který jev plastikářské praxi obecně známým reakčním činidlem.
Výhodou vynálezu je také jednoduchost a ekonomická nenáročnost výroby biodegradabilního materiálu, ke které lze využít stávajících technologických zařízení.
Příklady uskutečnění vynálezu
Biodegradabilní materiál byl při ověřování vynálezu připraven z PHB s číselně střední relativní molekulovou hmotností Mn 121 400 g.mol-1, hmotnostně střední relativní molekulovou hmotností Mw 466 500 g.mol-1 a polydisperzním indexem 3,8. K tomuto PHB byl přidán 2,5-dimethyl-2,5di(terc-butylperoxy)hexan (DBPH) v množství odpovídajícím 0,25 až 2 d. hmotn. na 100 d. hmotn. PBH. Takto připravené biodegradabilní materiály vykazovaly různou morfologii krystalické fáze od drobnosférolitických struktur až po pseudosférolity v závislosti na obsahu DBPH. Obsah krystalické fáze biodegradabilních materiálů se dle obsahu DBPH pohyboval v rozsahu od 45 až 70 %. V závislosti na tom se měnila i rychlost rozkladu materiálu. Tyto závěry byly potvrzeny pomocí laboratorně provedených analýz - rentgenová difrakce (XRD), diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), polarizační optická mikroskopie (POM), biodegradační respirometrické testy, skenovací elektronová mikroskopie (SEM) a dalších.
Příklad 1 g práškového PHB bylo souběžně s 17,5 mg DBPH (0,25 d. hmotn DBPH na 100 d. hmotn. PHB) dávkováno do násypky mikroextrudéru, a to tak, aby nedošlo k ulpívání DBPH na povrchu pístu. Teplota při extruzi byla 185 °C, rychlost šneku byla 50 otáček/min, doba extruze 2 min. Extruze probíhala v N2 atmosféře. Ze vzniklého extrudátu byla poté připravena technikou lisování PHB fólie o tloušťce 100 μm. Materiál měl následující vlastnosti:
- doba lagové fáze biologického rozkladu v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) < 8 dnů;
- rychlost mineralizace v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) 120 μgC/den;
- poločas biologického rozpadu < 3 měsíce;
- DSC analýza - obsah krystalické fáze 68 %, teplota tání 166 °C;
- POM analýza - neuspořádaný heterogenní systém s pseudosférolitickou strukturou obsahující mikrozóny s drobnosférolitickou strukturou.
Příklad 2 g práškového PHB bylo souběžně s 35 mg DBPH (0,5 d. hmotn. DBPH na 100 d. hmotn. PHB) dávkováno do násypky mikroextrudéru, a to tak, aby nedošlo k ulpívání DBPH na povrchu pístu. Z extrudátu připraveného za stejných podmínek jako v příkladu 1 byla poté připravena technikou lisování PHB fólie o tloušťce 100 μm. Materiál měl následující vlastnosti:
- 4 CZ 2022 - 326 A3
- doba lagové fáze biologického rozkladu v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) < 8 dnů;
- rychlost mineralizace v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) 75 pgC/den;
- poločas biologického rozpadu 5 měsíců;
- DSC analýza - obsah krystalické fáze 68 %, teplota tání 165 °C;
- POM analýza - pseudosférolitická struktura.
Příklad 3 g práškového PHB bylo souběžně se 70 mg DBPH (1 d. hmotn DBPH na 100 d. hmotn. PHB) dávkováno do násypky mikroextrudéru, a to tak, aby nedošlo k ulpívání DBPH na povrchu pístu. Z extrudátu připraveného za stejných podmínek jako v příkladu 1 byla poté připravena technikou lisování PHB fólie o tloušťce 100 pm. Materiál měl následující vlastnosti:
- doba lagové fáze biologického rozkladu v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) < 8 dnů;
- rychlost mineralizace v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) byla 98 pgC/den;
- poločas biologického rozpadu 4 měsíce;
- DSC analýza - krystalinita 67 %, teplota tání 164 °C;
- POM analýza - uspořádaný heterogenní systém obsahující zóny s pseudosférolitickou strukturou.
Příklad 4 g práškového PHB bylo souběžně se 140 mg DBPH (2 d. hmotn. DBPH na 100 d. hmotn. PHB) dávkováno do násypky mikroextrudéru, a to tak, aby nedošlo k ulpívání DBPH na povrchu pístu. Z extrudátu připraveného za stejných podmínek jako v příkladu 1 byla poté připravena technikou lisování PHB fólie o tloušťce 100 pm. Materiál měl následující vlastnosti:
- doba lagové fáze biologického rozkladu v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) < 8 dnů;
- rychlost mineralizace v půdním prostředí (25 °C, 50% vlhkost) byla 110 pgC/den;
- poločas biologického rozpadu 3,5 měsíce;
- DSC analýza - krystalinita 45 %, teplota tání 164 °C;
- POM analýza - sférolity ani pseudosférolitická struktura nebyly identifikovány.
Průmyslová využitelnost
Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí biologického rozkladu podle vynálezu lze využít pro výrobu biologicky rozložitelných produktů pro aplikace v zemědělství a zahradnictví, jako jsou například květináče, kořenáče, nebo při výrobě jednorázových produktů denní potřeby, jako jsou podnosy, kelímky, talíře, příbory a jiné.
Claims (3)
1. Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu, připravitelný vytlačováním v mikroextrudéru a následným tvarováním produktu na fólii technologií lisování, přičemž směs pro 5 vytlačování obsahuje kyselinu poly(3-hydroxymáselnou) a přídavek 0,25 až 2 d. hmotn. 2,5- dimethyl-2,5-di( terc-butylperoxy)hexanu na 100 d. hmotn. této kyseliny.
2. Biodegradabilní materiál podle nároku 1, s tím, že rychlost jeho biodegradace v půdním prostředí je v rozmezí 70 až 120 pg C/den.
3. Biodegradabilní materiál podle nároku 1, který má podíl krystalické fáze v rozmezí od 45 do 70 10 % hmotn., přičemž krystalická fáze obsahuje jak drobnosférolitické struktury, tak pseudosférolity.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-326A CZ2022326A3 (cs) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2022-326A CZ2022326A3 (cs) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ309864B6 CZ309864B6 (cs) | 2023-12-27 |
| CZ2022326A3 true CZ2022326A3 (cs) | 2023-12-27 |
Family
ID=89321387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2022-326A CZ2022326A3 (cs) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2022326A3 (cs) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ATE219782T1 (de) * | 1997-09-18 | 2002-07-15 | Monsanto Co | Modifizierte polyhydroxyalkanoate zur herstellung von überzügen und filmen |
-
2022
- 2022-08-02 CZ CZ2022-326A patent/CZ2022326A3/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ309864B6 (cs) | 2023-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yu et al. | Study on the biodegradability of modified starch/polylactic acid (PLA) composite materials | |
| US5578691A (en) | Polysaccharides grafted with aliphatic polyesters derived from cyclic esters | |
| US5883199A (en) | Polyactic acid-based blends | |
| US5801224A (en) | Bulk reactive extrusion polymerization process producing aliphatic ester polymer compositions | |
| JP5575398B2 (ja) | 生分解性ポリマーを変性する方法 | |
| Zheng et al. | PHBV-graft-GMA via reactive extrusion and its use in PHBV/nanocellulose crystal composites | |
| Soccio et al. | PBS-based green copolymer as an efficient compatibilizer in thermoplastic inedible wheat flour/poly (butylene succinate) blends | |
| Kolahchi et al. | Chain extended poly (3-hydroxybutyrate) with improved rheological properties and thermal stability, through reactive modification in the melt state | |
| JPH07504939A (ja) | 溶融安定性ラクチドポリマー組成物およびその製造方法 | |
| HUT57808A (en) | Polymer composition suitable for producing biologically decomposable plastic products and process for its production | |
| AU694194B2 (en) | Starch derivatives grafted with aliphatic polyesters, procedure for their production and their use | |
| SK289234B6 (sk) | Biodegradovateľná polymérna zmes a spôsob jej prípravy | |
| Dominici et al. | Improving the flexibility and compostability of starch/poly (butylene cyclohexanedicarboxylate)-based blends | |
| Genovese et al. | Processing, thermo-mechanical characterization and gas permeability of thermoplastic starch/poly (butylene trans-1, 4-cyclohexanedicarboxylate) blends | |
| CN110041466B (zh) | 一种高熔体强度聚乳酸材料及其制备方法 | |
| Thirmizir et al. | Compatibilization and crosslinking in biodegradable thermoplastic polyester blends | |
| WO2005078018A1 (en) | Anhydride functionalized polyhydroxyalkanoates, preparation and use thereof | |
| CZ2022326A3 (cs) | Biodegradabilní materiál s nastavitelnou rychlostí rozkladu | |
| Maliger et al. | Reactive extrusion for thermoplastic starch-polymer blends | |
| KR100257036B1 (ko) | 반응성이 우수한 열가소성 전분의 제조방법, 이를 함유하는 수지조성물 및 복합재료 | |
| Qureshi et al. | Open environment degradability study of CS/PVP/PNIPAm hydrogel film | |
| Dawidziuk | Peroxide-initiated Modification of Polylactic acid (PLA) and Poly (3-hydroxyalkanoates)(PHAs) in the Presence of Allylic and Acrylic Coagents | |
| KR20110078033A (ko) | 생분해성 고분자 간의 블렌드 상용화 방법 | |
| Dewanjee et al. | Preparation and evaluation of biodegradation performance of potato starch mixed LDPE polymer composites | |
| Luckachan et al. | Sugar end-capped polyethylene: Ceric ammonium nitrate initiated oxidation and melt phase grafting of glucose onto polyethylene and its microbial degradation |