PLA-мастербаатч, также известный как мастербаатч на основе полимолочной кислоты, представляет собой биоразлагаемый пластиковый материал, основным компонентом которого является полимолочная кислота (PLA). Полимолочная кислота — это полимерный сложный эфир, получаемый преимущественно из молочной кислоты, сырьем для производства которой служат возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и маниок. Поэтому PLA-мастербаатч считается представителем «зеленого пластика».

Features

Биоразлагаемость

Условия деградации: В условиях компостирования (при соблюдении подходящих условий, таких как температура, влажность, наличие микроорганизмов и т. д.) изделия из PLA-мастербаатча могут полностью разлагаться до углекислого газа и воды в течение определенного периода времени. Конкретное время деградации зависит от толщины, формы изделия и условий окружающей среды.

Экологические преимущества: По сравнению с традиционными пластиками на основе нефти, изделия из PLA-мастербаатча не вызывают «белого загрязнения» после утилизации, что соответствует концепции устойчивого развития.

Физические свойства

Механические свойства: PLA-мастербаатч обладает хорошей прочностью на растяжение и жесткостью, но высокой хрупкостью и относительно низкой ударной вязкостью. Поэтому в процессе переработки часто добавляют модификаторы ударопрочности и другие добавки для улучшения его характеристик.

Перерабатываемость: PLA-мастербаатч имеет низкую температуру плавления (обычно от 170 до 180 °C), широкий диапазон температур переработки и легко перерабатывается в различные изделия методами экструзии, литья под давлением, выдува пленки и другими способами.

Свойства поверхности: Изделия из PLA-мастербаатча имеют гладкую поверхность, высокую глянцевитость, хорошую пригодность для печати и декоративные свойства.

Биосовместимость

PLA-мастербаатч обладает хорошей биосовместимостью, нетоксичен и безвреден, что позволяет широко использовать его в медицине, здравоохранении и других областях.

Типы

Мастербаатчи на основе PLA (полимолочной кислоты) можно классифицировать по различным критериям. Ниже приведены некоторые распространенные методы классификации и соответствующие типы:

Function

PLA-мастербаатч для упаковки: Обладает хорошей прозрачностью, свойствами термосваривания и механическими характеристиками, подходит для производства различных упаковочных материалов, таких как упаковка для пищевых продуктов, пакеты для покупок, стрейч-пленка и т. д.

PLA-мастербаатч волокнистого класса: Обладает высокой прочностью и гибкостью, может использоваться для производства волокон для одежды, домашнего текстиля, промышленных волокон и т. д.

PLA-мастербаатч для литья под давлением: Обладает хорошей текучестью и формообразуемостью, подходит для производства различных пластиковых изделий методом литья под давлением, таких как игрушки, канцелярские товары, посуда и т. д.

PLA-мастербаатч для экструзии: Обладает хорошими экструзионными свойствами и может использоваться для экструзионного производства труб, листов, профилей и т. д.

Классификация по добавкам

Ударопрочный PLA-мастербаатч: Добавление модификаторов ударопрочности повышает вязкость и ударную стойкость PLA, позволяя сохранять хорошие характеристики даже в условиях низких температур.

Термостойкий PLA-мастербаатч: Добавление термостойких добавок повышает температуру тепловой деформации PLA, позволяя использовать его при более высоких температурах и расширяя диапазон применения.

Антибактериальный PLA-мастербаатч: Добавление антибактериальных агентов придает PLA антибактериальные свойства, что позволяет использовать его для производства медицинских изделий, упаковки для пищевых продуктов и других продуктов с высокими требованиями к гигиене.

Огнестойкий PLA-мастербаатч: Добавление антипиренов повышает огнестойкость PLA, обеспечивая соответствие соответствующим стандартам пожарной безопасности, что позволяет использовать его для производства корпусов электронного и электротехнического оборудования, строительных материалов и т. д.

Классификация по характеристикам деградации

Полностью биоразлагаемый PLA-мастербаатч: Может полностью разлагаться до углекислого газа и воды в естественной среде, не загрязняя окружающую среду.

Управляемая деградация PLA-мастербаатча: Путем корректировки рецептуры и технологии переработки можно контролировать скорость и время деградации PLA для удовлетворения потребностей различных сценариев применения.

Классификация по молекулярной массе

PLA-мастербаатч низкой молекулярной массы: Имеет относительно низкую молекулярную массу, хорошую текучесть и перерабатываемость, что делает его подходящим для применений, требующих высокой перерабатываемости.

PLA-мастербаатч высокой молекулярной массы: Имеет высокую молекулярную массу, высокую прочность, вязкость и термостойкость, но сложность переработки относительно высока, что делает его подходящим для областей, требующих высоких характеристик изделия.

Соотношение компонентов рецептуры

Полностью разлагаемый PLA-мастербаатч: 60–74% гранул PLA, 10–13% смешанных пигментов, 8–18% диспергаторов, 6–12% антиоксидантов, 2–5%coupling agents (совместителей).

Композитный ударопрочный разлагаемый мастербаатч на основе полимолочной кислоты: 20–60 частей смолы PLA, 10–50 частей модифицированных коротких растительных волокон, 10–50 частей модифицированных частиц CaCO₃, 0,5–1,0 части смазки. Предпочтительно использовать 30–50 частей смолы PLA, 20–40 частей модифицированных коротких растительных волокон, 20–40 частей модифицированных частиц CaCO₃ и 0,5–1,0 части смазки; еще более предпочтительно использовать 35–45 частей смолы PLA, 25–35 частей модифицированных коротких растительных волокон, 25–35 частей модифицированных частиц CaCO₃ и 0,6–0,9 части смазки.

Мягкий PLA-мастербаатч: Получается путем плавления и экструзии гранул PLA, производных жирных амидов и фосфитов в массовом соотношении 73 : (24–26) : (1,9–2,1).

Антибактериальный мастербаатч на основе полимолочной кислоты: Чистые чешуйки PLA равномерно смешивают с порошком фосфата циркония, нагруженного серебром, и помещают в двухшнековый экструдер. Массовые доли чешуек PLA и порошка фосфата циркония, нагруженного серебром, составляют 80% и 20% соответственно для получения антибактериального мастербаатча.

Производственный процесс

Процесс производства PLA-мастербаатча обычно включает такие этапы, как подготовка сырья, смешивание компонентов, экструзия расплава, охлаждение и резка, упаковка и т. д. Ниже приведено подробное описание:

1. Подготовка сырья

Выбирают подходящую смолу полимолочной кислоты (PLA) в качестве основы и подбирают гранулы PLA с различной молекулярной массой и характеристической вязкостью в соответствии с требованиями к изделию. Одновременно готовят различные добавки, такие как пластификаторы, антиоксиданты, смазки, цветовой мастербаатч и т. д., для улучшения характеристик и внешнего вида PLA-мастербаатча.

2. Смешивание компонентов

Точно взвешивают смолу PLA и различные добавки согласно рассчитанной рецептуре. Взвешенное сырье помещают в высокоскоростной смеситель для тщательного перемешивания. При перемешивании добавки равномерно распределяются по поверхности гранул смолы PLA, образуя пресмикс (предварительную смесь).

3. Экструзия расплава

Пресмикс загружают в бункер двухшнекового экструдера. Двухшнековый экструдер нагревает сырье в цилиндре до температуры выше точки плавления PLA с помощью нагревательного устройства, постепенно расплавляя его. Под действием вращения шнека расплавленный материал подвергается сдвигу, сжатию и смешиванию в цилиндре, дополнительно гомогенизируясь. Одновременно порты для ввода добавок могут быть расположены в различных местах экструдера по мере необходимости, например, некоторые добавки, требующие полной активации при высоких температурах, вводятся в средней части экструдера.

4. Охлаждение и гранулирование

Расплавленный материал, выдавливаемый из головки экструдера, имеет форму непрерывной ленты и охлаждается через водяную ванну для быстрого затвердевания материала. Охлажденная лента поступает в гранулятор, который режет ленту на однородные гранулы согласно заданному размеру частиц, таким образом получая PLA-мастербаатч.

5. Упаковка

Произведенный PLA-мастербаатч обычно упаковывается в герметичную упаковку для предотвращения поглощения влаги, окисления и других факторов, которые могут повлиять на его характеристики. Упакованный PLA-мастербаатч может храниться на складе или транспортироваться конечным потребителям для дальнейшей переработки и применения.

В процессе производства необходимо строго контролировать технологические параметры каждого этапа, такие как температура, скорость вращения шнека, скорость подачи и т. д., чтобы обеспечить стабильность качества и соответствие характеристик PLA-мастербаатча. Одновременно, для повышения эффективности производства и качества продукции, можно использовать современное производственное оборудование и технологии, такие как высокоэффективное смесительное оборудование, системы точного управления экструдером и т. д.

Производственное оборудование

1. Высокоскоростной смеситель: Используется для равномерного смешивания смолы PLA с различными добавками. Обеспечивает достаточное перемешивание материалов за короткое время благодаря высокоскоростным вращающимся мешалкам, гарантируя равномерное распределение добавок в смоле PLA и создавая основу для последующего производства.

2. Двухшнековый экструдер: Является основным оборудованием для производства PLA-мастербаатча. Он имеет два зацепляющихся шнека, которые вращаются под приводом двигателя. На цилиндре имеется несколько зон нагрева, позволяющих точно контролировать температуру, что обеспечивает полное смешивание, пластификацию и гомогенизацию смолы PLA и добавок за счет эффектов сдвига, экструзии и транспортировки шнеком в нагретом расплавленном состоянии, с последующим выдавливанием из формующей головки.

3. Ванна охлаждения: Обычно изготавливается из нержавеющей стали и используется для охлаждения и затвердевания высокотемпературных ленточных материалов, экструдированных из головки экструдера. Температура воды в ванне может точно контролироваться системой терморегулирования, чтобы обеспечить быстрое охлаждение материала и достижение хорошего внешнего вида и характеристик.

4. Гранулятор: Распространенные типы включают грануляторы горячего и холодного резания. Система горячей резки используется для материалов, находящихся в термопластичном состоянии, и подходит для термочувствительных материалов; система холодной резки режет материал после его охлаждения и затвердевания, обеспечивая гранулы правильной формы и однородного размера. Гранулятор позволяет точно контролировать размер и форму гранул PLA-мастербаатча путем регулировки скорости и частоты режущего инструмента.

5. Упаковочная машина: Используется для упаковки произведенного PLA-мастербаатча. Автоматические упаковочные машины могут автоматизировать такие процессы, как дозирование, наполнение и запечатывание, повышая эффективность и качество упаковки. Распространенные типы включают весовые упаковочные машины и объемные упаковочные машины, которые можно выбирать в соответствии с требованиями к упаковке продукта.

Помимо основного оборудования, упомянутого выше, в процессе производства могут также использоваться вспомогательное оборудование, такое как дозирующие устройства, осушители и фильтры для формующих головок, для повышения эффективности производства и качества продукции.

Соответствующие требования

Хорошая пластифицирующая способность: Смола PLA должна быть полностью пластифицирована в процессе экструзии для обеспечения качества изделия. Поэтому экструдер должен обладать достаточной мощностью нагрева и конструкцией шнека, обеспечивающими равномерное плавление смолы PLA за короткое время. Например, использование градиентного шнека с более длинной зоной сжатия позволяет постепенно сжимать и сдвигать материал во время экструзии, достигая хорошего эффекта пластификации.

Точный контроль температуры: PLA чувствителен к температуре; чрезмерно высокая температура легко приводит к его деградации, влияя на характеристики; слишком низкая температура вызывает плохую пластификацию. Цилиндр экструдера должен быть оснащен несколькими зонами нагрева и точной системой контроля температуры, позволяющей независимо управлять температурой каждой зоны нагрева в соответствии с требованиями к температуре переработки PLA на различных этапах. Как правило, диапазон температур переработки PLA составляет от 160 до 220 °C, а конкретная температура должна корректироваться в зависимости от марки и рецептуры PLA.

Стабильное давление экструзии и расход: Для обеспечения стабильности качества PLA-мастербаатча экструдер должен обеспечивать стабильное давление экструзии и расход. Это требует разумной конструкции шнека экструдера, стабильной трансмиссии и способности поддерживать постоянство давления экструзии и расхода при различных скоростях производства. Например, применение новой конструкции головки шнека может улучшить равномерность потока материала во время экструзии и снизить колебания давления.

Высокая способность к смешиванию и диспергированию: Поскольку при производстве PLA-мастербаатча добавляются различные добавки, такие как пластификаторы, антиоксиданты, цветовой мастербаатч и т. д., экструдеры должны обладать высокой способностью к смешиванию и диспергированию для равномерного распределения добавок в смоле PLA. На шнеке могут быть установлены специальные смесительные элементы, такие как зубчатые диски, блоки месильных элементов и т. д., для увеличения эффекта сдвига и смешивания материала и улучшения однородности дисперсии добавок.

Коррозионная стойкость: В процессе производства PLA-мастербаатча некоторые добавки могут обладать определенной коррозионной активностью, поэтому компоненты, контактирующие с материалом, такие как цилиндр экструдера и шнек, должны обладать хорошей коррозионной стойкостью. Эти компоненты обычно изготавливаются из нержавеющей стали или материалов со специальной обработкой поверхности для увеличения срока службы экструдера.

Применение

PLA-мастербаатч обладает хорошей биоразлагаемостью, термостабильностью и перерабатываемостью, поэтому он имеет широкую область применения в различных сферах. Ниже приведены некоторые основные области применения:

Упаковочная отрасль

Одноразовая посуда: Из PLA-мастербаатча можно изготавливать посуду различных форм, такую как тарелки, контейнеры, ложки и т. д. После использования она постепенно разлагается в естественной среде, снижая «белое загрязнение» и соответствуя концепциям экологической защиты.

Упаковка для пищевых продуктов: Благодаря отличным барьерным свойствам и гигиеническим характеристикам PLA-мастербаатч может использоваться для производства пакетов, контейнеров и т. д. для упаковки пищевых продуктов. Он эффективно сохраняет свежесть и качество продуктов, при этом будучи биоразлагаемым после утилизации, не причиняя долгосрочного вреда окружающей среде.

Пакеты для покупок: Пакеты для покупок из PLA-мастербаатча обладают высокой прочностью и выдерживают определенный вес предметов. Кроме того, их биоразлагаемые свойства делают их идеальной альтернативой традиционным пластиковым пакетам, помогая сократить образование пластиковых отходов.

Текстильная отрасль

Одежда: PLA-мастербаатч может быть превращен в волокна для производства одежды. Волокно PLA имеет мягкую текстуру, хорошую гигроскопичность и устойчивость к УФ-излучению, что обеспечивает комфорт при ношении. Одновременно оно обладает естественной несминаемостью, сохраняя хороший внешний вид одежды.

Домашний текстиль: В изделиях домашнего текстиля, таких как постельное белье и шторы, волокна из PLA-мастербаатча становятся все более популярными. Они не только обеспечивают комфортные ощущения при использовании, но и добавляют экологичные элементы в домашнюю обстановку.

Медицинская отрасль

Хирургический шовный материал: PLA-мастербаатч обладает хорошей биосовместимостью и разлагаемостью и может использоваться для изготовления хирургических нитей. После заживления раны нить постепенно разлагается и поглощается организмом человека без необходимости снятия швов, снижая боль пациента и риск инфекции.

Каркас для тканевой инженерии: PLA-мастербаатч можно использовать для подготовки каркасов (стентов) для тканевой инженерии, обеспечивающих поддержку роста клеток и восстановления тканей. Его биоразлагаемость позволяет каркасу постепенно исчезать после восстановления ткани, избегая необходимости вторичного хирургического удаления.

Носитель для пролонгированного высвобождения лекарств: Инкапсуляция лекарств в микросферы или наночастицы из PLA-мастербаатча позволяет достичь медленного высвобождения лекарства, продлить время его действия и повысить эффективность.

Сельское хозяйство

Агротехническая пленка: Пленка из PLA-мастербаатча обладает хорошими свойствами теплоизоляции, влагоудержания и прозрачности, что способствует росту сельскохозяйственных культур. Кроме того, после использования агротехническая пленка может естественно разлагаться в почве и не оставаться в ней, как традиционные пленки, влияя на структуру почвы и рост растений.

Кассеты для рассады: Кассеты для рассады из PLA-мастербаатча можно закапывать непосредственно в почву при пересадке рассады без необходимости их извлечения, что снижает повреждение корней рассады и избегает проблем с утилизацией кассет.