Termoplastični škrob

Skupni raziskovalni projekt PolyRegion

Termoplastični škrob

Cilj razvojnega projekta v okviru projekta PolyRegion je sintetizirati termoplastični material za brizganje, ki bo bioosnovan in biorazgradljiv na domačem kompostu. Po pregledu literature smo se odločili da sintetiziramo termoplastični škrob iz škroba, vode, glicerola in lubrikanta. Glede na razpoložljive podatke iz literature o različnih poteh sinteze in mešalnih razmerjih komponent smo že na začetku predvideli več različnih receptur in posledično njihovo optimizacijo po testiranjih.

Sinteze smo izvedli v dveh korakih. Najprej smo v laboratoriju pripravili mešanico škroba, glicerola in vode, tako da smo dobili viskozno mešanico s pomočjo mešanja in segrevanja. Tako pripravljeno zmes smo ekstrudirali na dvopolžnem ekstruderju. Pred ekstrudiranjem smo mešanici dodali še 3% lubrikanta, ki poskrbi, da viskoznost med ekstrudiranjem ne naraste, kar smo ugotovili po prvih četrtih testih receptur. Material smo ekstrudirali skozi okroglo odprtino, tako da smo dobili filament premera 1,5 do 3 mm. Po enem dnevu smo s pomočjo granulatorja iz filamenta pripravili granule dolžine okoli 5 mm. Granule smo uporabili za injekcijsko brizganje, ki smo ga izvedli skupaj strokovnjaki partnerja TECOS, Razvojnega centra orodjarstva Slovenije. Med samimi testi smo ugotovili, da je termoplastični škrob uporaben material za izdelke z različnimi lastnostmi, glede na to, koliko vlage vsebuje pred injekcijskim brizganjem. Pri nesušenem granulatu smo dobili fizikalno zapenjen izdelek – preostala vlaga v granulatu poskrbi za fizikalno zapenjenje končnega izdelka v orodju. Pri osušenem granulatu smo dobili poln izdelek, ki je imel E modul primerljiv z E modulom polipropilena (Tabela 1).

 Tabela 1: Mehanske in termične lastnosti granulata in izdelkov iz termoplastičnega škroba

Vsako fazo sinteze smo karakterizirali na laboratorijski opremi. Pripravo mešanice za termoplastični škrob smo spremljali z ATR FT-IR analizami. Določili smo parametre priprave mešanice v laboratoriju in pogoje ekstrudiranja tako, da smo dobili ponovljivo kvaliteto termoplastičnega škroba. Ekstrudirane niti smo karakterizirali dodatno še s trgalnim strojem, DMA-jem, TGA-jem in delno tudi z DSC-jem. Te teste smo izvajali na nesušenem in sušenem filamentu. Vse teste smo potem izvedli tudi na gotovih injekcijsko brizganih izdelkih, kjer se je pokazala velika razlika med sušenim in nesušenim granulatom. S pomočjo partnerja pri projektu PolyRegion Tecos smo optimirali tehnološko okno za termoplastični škrob za injekcijsko brizganje s premerom vijaka 15 mm. 

S pomočjo analize trga smo našli dva izdelka, ki sta še posebej zanimiva za uporabo biorazgradljivega materiala na domačem kompostu. Prvi izdelek so podstavki za žogice za golf, kjer je želja, da ostanki razpadejo, če jih pustimo ležati na travnati podlagi. Drugi tak izdelek so lončki za sadike hmelj, kjer je želja, da se sadike skupaj z lončki posadijo v zemljo in loček razpade v zemlji v roku 3 tednov.

Glede na ta dva izdelka smo izvedli tudi teste biorazgradljivosti termoplastičnega škroba v kompostu. Teste smo izvedli pri sobni temperaturi in ugotovili, da v vlažnem kompostu izdelka začneta razpadati že takoj prvi dan. Po enem tednu razpade že okoli 50% materiala (Slika 1). Prednost razpada škroba bi bila v primeru naših izdelkov tudi ta, da so potem razpadni produkti lahko tudi hranilo za travo v primeru podstavkov za golf žogice oziroma sadik za hmelj v primeru lončkov.  Pri testih smo uporabili osušen granulat za podstavke za žogice za  golf in neosušen granulat za lončke za sadike za hmelj.

Slika 1: Izdelek pred in po 1 tednu kompostiranja na domačem kompostu

Ker smo sintetizirali povesem nov termoplastični material, smo izvedli tudi teste potrebne za simulacijo injekcijskega brizganja. Teste smo izvajali skupaj s partnerjem MUL. Pri testih smo ugotovili, da ima strižna hitrost velik vpliv na fizikalno penjenje neosušenega granulata, pri osušenem granulatu je vpliv strižne hitrosti veliko manjši. Glede na te ugotovitve se je pokazala možnost dodatnih študij na tem materialu, tako na VŠTP kot na MUL. Naslednji planirani korak pri termoplastičnem škrobu je test granulata v industrijskih pogojih – na večjem stroju za injekcijsko brizganje z večgnezdnim orodjem.

 Potek projekta in rezultati so bili predstavljeni na sledečih dogodkih:

Slovenski biopolimerni dnevi 2014 (Slovenj Gradec)