Крахмальный концентрат — это гранулированный материал, изготовленный преимущественно из растительного крахмала (такого как маниоковый, кукурузный, картофельный), который подвергается физической или химической модификации и компаундируется с несущими смолами (такими как PBAT, PLA) и добавками. Это функциональный концентрат, модифицированный посредством специальных процессов, широко используемый в экологичных материалах, упаковке, сельском хозяйстве и других областях.

Характеристика

Биоразлагаемость

100% биосырье может быть полностью разложено на воду и углекислый газ при условиях компостирования, соответствуя стандартам разложения, таким как EU EN13432 и US ASTM D6400.

Цикл разложения короткий: полное разложение происходит в течение 6–12 месяцев при промышленных условиях компостирования.

Перерабатываемость

Благодаря термопластичной модификации крахмальный концентрат обладает хорошей термопластичностью и текучестью, что позволяет напрямую смешивать его с полимерами, такими как PBAT и PE, для производства выдувных пленок и литья под давлением.

Низкий индекс расплава (≤ 5 г/10 мин), широкий диапазон температур переработки (130–165 °C), совместимость с традиционным оборудованием для переработки пластмасс.

Физические свойства

Пленкообразующие свойства: полученная пленка обладает хорошей прозрачностью и гладкой поверхностью, может быть выдута в сверхтонкую пленку толщиной 1 микрон (0,01 мм).

Механические свойства: прочность на растяжение ≥ 10 МПа, относительное удлинение при разрыве ≥ 300%, что соответствует требованиям повседневной упаковки.

Экологические преимущества

Замена традиционных пластмасс на 30–50% и снижение выбросов углерода.

Содержание биомассы ≥ 99%, в соответствии с тенденцией к зеленому и устойчивому развитию.

Типы

Крахмальный концентрат можно классифицировать по различным критериям; ниже приведены некоторые распространенные типы:

Классификация по источнику крахмала

Кукурузный крахмальный концентрат: изготовлен преимущественно из кукурузного крахмала. Кукурузный крахмал имеет высокий выход и низкую стоимость, являясь распространенным источником для производства крахмального концентрата. Этот концентрат обладает хорошей текучестью и перерабатываемостью, широко используется в таких областях, как модификация пластмасс.

Картофельный крахмальный концентрат: изготовлен из картофельного крахмала. Гранулы картофельного крахмала крупные и имеют низкую температуру клейстеризации. Маточные гранулы, полученные из него, широко используются в продуктах, требующих более низких температур переработки и обладающих хорошей гибкостью.

Крахмальный концентрат на основе маниоки: основан на маниоковом крахмале. Маниоковый крахмал обладает высокой чистотой и низким содержанием белка, а изготовленный из него концентрат демонстрирует хорошие показатели биоразложения. Обычно используется в биоразлагаемых пластиковых изделиях.

Классификация по добавленным ингредиентам

Обычный крахмальный концентрат: состоит преимущественно из крахмала и небольшого количества добавок, таких как пластификаторы, смазки и т.д., используется для общего наполнения и модификации пластмасс, что позволяет снизить стоимость пластиковых изделий и в определенной степени улучшить их перерабатываемость.

Функциональный крахмальный концентрат:

Антибактериальный крахмальный концентрат: содержит антибактериальные агенты, такие как ионы серебра, наноксид цинка и т.д., придающие изделию антибактериальные свойства. Может использоваться в пищевой упаковке, медицинских изделиях и других областях, эффективно подавляя рост бактерий и продлевая срок годности продукции.

Огнестойкий крахмальный концентрат: содержит огнестойкие добавки, такие как гидроксид магния и фосфатные эфиры, для повышения огнестойкости пластиковых изделий, обеспечивая соответствие соответствующим стандартам безопасности. Обычно используется в изделиях с высокими требованиями к огнестойкости, таких как корпуса электронно-электрических приборов и строительные материалы.

Влагостойкий крахмальный концентрат: путем добавления влагостойких агентов, таких как силановые связующие агенты, можно повысить влагостойкость крахмального концентрата, позволяя ему сохранять хорошие свойства во влажной среде или при контакте с водой. Может использоваться в некоторых пластиковых изделиях, требующих определенной степени влагостойкости, таких как товары для наружного применения, изделия для аквакультуры и т.д.

Классификация по назначению

Крахмальный концентрат для упаковки: используется при производстве различных упаковочных материалов, таких как полиэтиленовые пакеты, упаковочные пленки, одноразовая посуда и т.д. Эти типы концентратов обычно требуют хороших пленкообразующих свойств, гибкости и определенной прочности для защиты упакованных товаров и соответствия требованиям упаковочной отрасли к экологичности и биоразлагаемости.

Сельскохозяйственный крахмальный концентрат: преимущественно используется для изготовления сельскохозяйственной продукции, такой как агроволокно (мульчирующие пленки) и рассадные стаканчики. От концентрата требуются хорошие атмосферостойкость, теплоизоляция и воздухопроницаемость для стимулирования роста культур, а также способность быстро разлагаться в почве после использования, снижая загрязнение окружающей среды.

Крахмальный концентрат для литья под давлением: подходит для процесса литья под давлением, используется при производстве различных пластиковых деталей, таких как игрушки, канцелярские товары, предметы повседневного спроса и т.д. Концентрат должен обладать хорошей текучестью и формообразующей способностью для обеспечения качества и точности литых изделий.

Соотношение рецептуры

Соотношение компонентов в различных типах крахмального концентрата может варьироваться в зависимости от источника крахмала, добавленных ингредиентов и области применения. Ниже приведены приблизительные соотношения для некоторых распространенных типов крахмального концентрата:

Обычный кукурузный крахмальный концентрат

Кукурузный крахмал: 60–80%, основной компонент, обеспечивающий биоразлагаемость и некоторые физические свойства.

Несущая смола: 15–30%, обычно используются полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и т.д., для улучшения перерабатываемости и механических свойств концентрата.

Пластификаторы: 3–10%, такие как глицерин, цитраты и т.д., повышают гибкость и пластичность крахмала, снижают температуру переработки.

Смазка: 0,5–2%, такие как стеариновая кислота, соли стеариновой кислоты и т.д., для снижения трения между частицами, улучшения текучести и предотвращения прилипания к форме.

Антибактериальный картофельный крахмальный концентрат

Картофельный крахмал: 50–70%, используется в качестве основного сырья с учетом его характеристик.

Несущая смола: 20–30%, выбор смолы осуществляется в соответствии с конкретными потребностями.

Антибактериальные агенты: 0,5–5%, такие как антибактериальные агенты на основе ионов серебра, наноксид цинка и т.д., обеспечивают антибактериальную функцию.

Пластификатор: 5–10%, улучшает перерабатываемость крахмала и гибкость изделий.

Смазка: 0,5–2%, выполняет те же функции, что и смазка в обычном концентрате.

Влагостойкий крахмальный концентрат на основе маниоки

Маниоковый крахмал: 55–75%, основной компонент концентрата.

Несущая смола: 15–30%, играет роль носителя и улучшает характеристики.

Гидрофобизатор (водоотталкивающий агент): 3–10%, такие как силановые связующие агенты, для повышения влагостойкости концентрата.

Пластификатор: 3–8%, обеспечивает крахмалу хорошие свойства переработки.

Смазка: 0,5–2% для обеспечения плавности процесса переработки.

Огнестойкий крахмальный концентрат для литья под давлением

Крахмал (может быть смесью различных видов крахмала): 40–60%, обеспечивает определенную степень биоразлагаемости и базовые свойства.

Несущая смола: 20–30%, выбор смолы осуществляется в соответствии с требованиями к литому изделию.

Огнестойкая добавка: 15–30%, такие как гидроксид магния, фосфатные эфиры и т.д., для достижения требуемого класса огнестойкости.

Пластификатор: 3–8%, улучшает перерабатываемость крахмала и смолы.

Смазка: 0,5–2%, способствует течению материала и извлечению изделия при процессе литья под давлением.

Приведенные выше соотношения рецептур носят справочный характер. В реальном производстве необходимо вносить корректировки и оптимизацию на основе конкретного производственного оборудования, технологических условий и требований к характеристикам продукции.

Производственный процесс

Процесс производства крахмального концентрата обычно включает такие этапы, как подготовка сырья, смешивание, пластификационная экструзия, охлаждение и грануляция. Ниже приведено подробное описание:

1. Подготовка сырья

Обработка крахмала: выберите подходящий вид крахмала в зависимости от типа концентрата, например, кукурузный, картофельный или маниоковый крахмал. Высушите крахмал для снижения содержания влаги до определенного уровня, обычно требуется содержание влаги менее 10%, чтобы избежать таких проблем, как образование пузырей и деградация из-за избыточной влажности во время переработки.

Подготовка добавок: точно взвесьте различные добавки согласно рецептуре, такие как несущая смола, пластификатор, смазка, антибактериальный агент, огнестойкая добавка и т.д. Убедитесь, что качество и чистота добавок соответствуют производственным требованиям.

2. Смешивание

Предварительное смешивание: предварительно смешайте высушенный крахмал с добавками в высокоскоростном смесителе для достижения начального равномерного распределения каждого компонента. Время предварительного смешивания обычно составляет 10–15 минут, скорость перемешивания регулируется в зависимости от характеристик сырья и производительности оборудования, обычно около 500–1000 об/мин.

Смешивание: предварительно смешанный материал затем дополнительно смешивается и пластифицируется в смесителе. Температура, скорость и время работы смесителя являются ключевыми параметрами. Обычно температура контролируется в диапазоне 120–180 °C, скорость составляет 30–60 об/мин, а время смешивания — 10–20 минут. В результате смешивания крахмал и добавки тщательно перемешиваются до однородного материала с определенной пластичностью и текучестью.

3. Пластификационная экструзия

Поместите смешанный материал в двухшнековый экструдер для пластификации и экструзии. Двухшнековые экструдеры обладают хорошими смесительными и транспортными возможностями, что позволяет дополнительно пластифицировать и равномерно смешивать материалы при высокой температуре и давлении.

Установка температуры экструдера обычно делится на несколько зон, постепенно повышаясь от зоны загрузки до головки. Температура в зоне загрузки обычно составляет 100–120 °C, в средней зоне — 140–160 °C, а в головке — 160–180 °C. Скорость вращения шнека регулируется в зависимости от характеристик материала и производственных требований, обычно в диапазоне 100–300 об/мин.

В процессе экструзии материал продвигается вперед под действием шнека, подвергаясь силам сдвига и трения, что обеспечивает полную пластификацию и смешивание. Через фильеру головки экструдера выдавливаются непрерывные жгуты или листовые материалы.

4. Охлаждение и грануляция

Воздушное или водяное охлаждение: экструдированный материал охлаждается и формообразуется посредством воздушного или водяного охлаждения. Воздушное охлаждение использует конвекцию воздуха для отвода тепла и быстрого охлаждения материалов; водяное охлаждение представляет собой процесс охлаждения материалов через ванну с водой, обеспечивающий высокую скорость охлаждения. Однако важно контролировать температуру охлаждающей воды, чтобы избежать внутренних напряжений или поверхностных дефектов из-за резкого охлаждения материалов.

Грануляция: охлажденный материал гранулируется гранулятором и нарезается на частицы определенного размера. Скорость инструмента и длина реза гранулятора регулируются в зависимости от требуемого размера частиц. Обычный размер частиц обычно составляет от 2 до 5 мм.

5. Просеивание и упаковка

Просеивание: крахмальный концентрат после грануляции просеивается через вибрационный грохот для удаления слишком крупных или слишком мелких частиц, обеспечивая однородность размера частиц продукции. Размер ячеек сита выбирается в соответствии с требованиями к продукту; обычно используются ячейки размером от 20 до 60 меш.

Упаковка: качественный крахмальный концентрат после просеивания герметично упаковывается для предотвращения поглощения влаги и загрязнения. В качестве упаковочных материалов обычно используются полиэтиленовые пакеты или комбинированные упаковочные пакеты с хорошими влагозащитными свойствами; на упаковке указываются название продукта, спецификации, дата производства, срок годности и другая информация.

В процессе производства необходимо оптимизировать и корректировать технологические параметры в зависимости от характеристик и требований различных типов крахмального концентрата для обеспечения качества и стабильных характеристик продукции. Одновременно необходимы регулярное техническое обслуживание и уход за производственным оборудованием для обеспечения его нормальной работы и достижения эффективного и стабильного производства.

Производственное оборудование

Оборудование для производства крахмального концентрата включает в себя преимущественно оборудование для обработки сырья, смешивания, экструзии, охлаждения, грануляции, а также просеивания и упаковки. Ниже приведено подробное описание:

1. Оборудование для обработки сырья

Сушилка: используется для сушки крахмального сырья с целью снижения содержания влаги. Распространенные типы сушилок включают пневмотранспортные (струйные) сушилки, сушилки с псевдоожиженным слоем и т.д. Пневмотранспортная сушилка подвешивает и сушит частицы крахмала посредством высокоскоростного потока горячего воздуха, обеспечивая высокую скорость сушки; сушилка с псевдоожиженным слоем сушит крахмал в состоянии псевдоожижения, создаваемом горячим воздухом, что обеспечивает равномерный эффект сушки.

2. Оборудование для смешивания

Высокоскоростной смеситель: используется для предварительного смешивания крахмала с различными добавками. Он имеет быстро вращающиеся мешалки, которые позволяют достичь определенной степени однородности смешивания материалов за короткое время, закладывая основу для последующих процессов смешивания и экструзии.

Внутренний смеситель (интенсивный смеситель): дальнейшее смешивание и пластификация предварительно смешанных материалов. Ротор внутреннего смесителя имеет специальную форму, создающую сильные эффекты сдвига и смешивания, что позволяет полностью и равномерно перемешать крахмал и добавки при высокой температуре и давлении, формируя материал с хорошей пластичностью и однородностью.

3. Экструзионное оборудование

Двухшнековый экструдер: является одним из ключевых видов оборудования для производства крахмального концентрата. Он имеет два взаимодействующих шнека, которые могут эффективно транспортировать, смешивать, пластифицировать и экструдировать материалы. Путем разумной настройки таких параметров, как температура, скорость и конфигурация шнеков экструдера, материал может достичь идеальной степени пластификации и однородности в процессе экструзии, что обеспечивает качество продукции.

4. Оборудование для охлаждения

Система воздушного охлаждения: состоит из вентиляторов, воздуховодов и т.д., отводит тепло экструдированных материалов посредством принудительного потока воздуха, позволяя им быстро охлаждаться и затвердевать. Система воздушного охлаждения имеет простую конструкцию и удобна в эксплуатации, подходит для случаев, когда скорость охлаждения не является критичной, и может эффективно избегать внутренних напряжений или поверхностных дефектов из-за быстрого охлаждения материалов.

Система водяного охлаждения: обычно включает такие компоненты, как ванна с водой и циркуляционный насос. Экструдированный материал охлаждается через ванну с водой. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды скорость охлаждения выше, чем при воздушном охлаждении, что повышает производительность труда. Однако необходимо обращать внимание на контроль температуры охлаждающей воды для обеспечения качества продукции.

5. Оборудование для грануляции

Гранулятор: устанавливается после выхода из экструдера или оборудования для охлаждения, используется для нарезки охлажденных жгутов или листовых материалов на частицы определенного размера. Скорость резания и длина реза гранулятора могут регулироваться в зависимости от требуемого размера частиц для соответствия требованиям к размеру частиц различных продуктов.

6. Оборудование для просеивания и упаковки

Вибрационный грохот: используется для просеивания крахмального концентрата после грануляции, удаления слишком крупных или слишком мелких частиц и обеспечения однородности размера частиц продукции. Вибрационный грохот создает вибрацию посредством вибромотора, заставляя частицы подпрыгивать и просеиваться на сите. Размер ячеек сита может выбираться в соответствии с требованиями к продукту.

Упаковочная машина: используется для упаковки качественного крахмального концентрата после просеивания. Распространенные упаковочные машины включают автоматические дозирующие упаковочные машины, вакуумные упаковочные машины и т.д. Автоматическая дозирующая упаковочная машина может точно дозировать и упаковывать продукты определенного веса, повышая эффективность и точность упаковки; вакуумные упаковочные машины подходят для продуктов, требующих высокой влагостойкости и устойчивости к окислению, и могут продлить срок годности продукции.

Связанные требования

Экструдер является ключевым оборудованием для производства крахмального концентрата, и его параметры настройки оказывают значительное влияние на качество продукции и эффективность производства. Ниже приведены распространенные параметры настройки экструдера:

Настройка температуры

Зона загрузки: обычно устанавливается на уровне 100–120 °C. Эта зона предназначена преимущественно для начального размягчения материала при нагреве, избегая преждевременной клейстеризации крахмала из-за высокой температуры, что может повлиять на последующую переработку.

Средняя зона: температура обычно контролируется в диапазоне 140–160 °C. В средней зоне материал начинает дополнительно пластифицироваться, а крахмал и добавки постепенно равномерно смешиваются. Подходящая температура способствует улучшению текучести и пластичности материала.

Головка экструдера: температура головки обычно составляет 160–180 °C. Более высокая температура обеспечивает хорошую текучесть материала при экструзии, облегчая выдавливание из головки, а также гарантирует гладкую поверхность изделия и снижает количество дефектов.

Настройка скорости вращения шнека

Скорость вращения шнека регулируется в зависимости от характеристик материала и производственных требований, обычно в диапазоне 100–300 об/мин. Более низкая скорость вращения способствует тщательному смешиванию и пластификации материалов, но снижает производительность; более высокая скорость вращения может увеличить выпуск продукции, но может вызвать перегрев материала из-за сдвига и повлиять на качество продукции. В реальном производстве необходимо находить баланс между скоростью вращения, качеством продукции и производительностью в зависимости от конкретных обстоятельств. Например, для крахмальных материалов с высокой вязкостью скорость вращения следует соответственно снизить во избежание чрезмерного сдвига; для материалов с хорошей текучестью скорость вращения можно соответственно увеличить для повышения выпуска.

Настройка крутящего момента шнека

Крутящий момент шнека отражает нагрузку, испытываемую шнеком в процессе экструзии, и связан с такими факторами, как вязкость материала, степень заполнения и скорость вращения шнека. Правильная настройка крутящего момента шнека может обеспечить стабильность процесса экструзии и качество продукции. Обычно диапазон крутящего момента шнека следует устанавливать в зависимости от характеристик материала и производительности оборудования, обычно в пределах 30–70% от номинального крутящего момента оборудования. Если крутящий момент слишком высок, это может привести к таким проблемам, как повышенный износ шнека и перегрузка двигателя; если крутящий момент слишком низок, это может указывать на неполную пластификацию материала или недостаточный объем экструзии.

Настройка давления

Давление на входе загрузки: давление на входе обычно поддерживается на низком уровне во избежание чрезмерного сопротивления материалу при подаче, что может повлиять на плавность подачи. Обычно давление на входе устанавливается в диапазоне 0,5–1,5 МПа.

Давление в головке: давление в головке имеет решающее значение для обеспечения плотности экструдированных материалов и точности размеров изделий. Общее давление в головке устанавливается в диапазоне 5–15 МПа. Путем регулировки дроссельного устройства или конструкции формы на головке можно контролировать давление в головке в подходящем диапазоне. Если давление в головке слишком высокое, это может привести к повышенному износу формы и затруднению экструзии материала; если давление слишком низкое, это может вызвать такие дефекты, как поры и неравномерная поверхность изделия.

При настройке параметров экструдера необходимо комплексно учитывать такие факторы, как тип крахмального сырья, рецептура добавок, требования к качеству продукции и характеристики оборудования. Путем многократных экспериментов и корректировок следует найти наиболее подходящую комбинацию параметров для достижения стабильного и эффективного производства.

Применение

Крахмальный концентрат имеет широкую область применения в различных сферах; ниже приведены некоторые основные направления применения:

Пластиковая промышленность

Наполнение и модификация: добавление крахмального концентрата в пластмассы может снизить производственные затраты на пластик. Одновременно добавление крахмала также улучшает перерабатываемость пластмасс, например, повышает текучесть и снижает вязкость расплава. Например, добавление подходящего количества крахмального концентрата в обычные пластмассы, такие как полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), может повысить твердость и жесткость пластиковых изделий при сохранении хорошей ударной вязкости.

Биоразложение: крахмал является природным биоразлагаемым полимерным материалом, и добавление крахмального концентрата в пластмассы придает им определенную степень биоразлагаемости. Со временем крахмал разлагается микроорганизмами в естественной среде, что приводит к постепенному распаду пластиковых изделий и снижению загрязнения окружающей среды. Такие биоразлагаемые пластики имеют широкие перспективы применения в таких областях, как упаковка и агроволокно. Например, биоразлагаемые полиэтиленовые пакеты на основе крахмала могут быстро разлагаться в почве после использования, снижая «белое загрязнение».

Текстильная промышленность

Модифицированный крахмальный мастербатч может использоваться в качестве шлихтовального клея для текстиля. Он образует равномерную пленку на поверхности пряжи, повышая её прочность, износостойкость и гладкость, снижая процент обрывности при ткачестве, а также улучшая эффективность ткацкого процесса и качество ткани. По сравнению с традиционными химическими шлихтовальными агентами крахмальные шлихтовочные составы обладают хорошей биоразлагаемостью и экологической безопасностью.

Отделочный агент для тканей: отделочный агент на основе крахмального мастербатча, применяемый при отделке тканей, улучшает тактильные ощущения, мягкость и драпируемость материала. В то же время крахмальные отделочные агенты придают тканям определенную несминаемость и гигроскопичность, повышая комфорт при ношении. Например, при отделке хлопчатобумажных тканей использование крахмальных отделочных агентов делает ткань более мягкой и гладкой, одновременно увеличивая её влагопоглощение и воздухопроницаемость.

Бумажная промышленность

Упрочнитель бумаги: крахмальный мастербатч может добавляться в бумажную массу в качестве упрочнителя. Он взаимодействует с целлюлозными волокнами, образуя водородные связи, что повышает прочностные характеристики бумаги, такие как прочность на растяжение, сопротивление продавливанию и разрыву. При производстве различных видов бумаги, включая писчую и упаковочную, добавление оптимального количества крахмального мастербатча эффективно улучшает качество и эксплуатационные свойства бумаги.

Поверхностный шлихтовальный агент: крахмальный мастербатч используется для поверхностной проклейки бумаги, образуя равномерную адгезионную пленку на её поверхности, что повышает поверхностную прочность, гладкость и печатоспособность бумаги. Эта адгезионная пленка эффективно предотвращает пыление и осыпание волокон в процессе печати, улучшая качество печати. Кроме того, крахмальные агенты для поверхностной проклейки повышают влагостойкость бумаги, обеспечивая сохранение её свойств во влажной среде.

Другие области применения

В сельском хозяйстве крахмальный мастербатч используется для производства агрогидрогелей (водоудерживающих агентов). Водоудерживающий агент, полученный путем сополимеризации или смешивания крахмала с гидрофильными полимерными материалами, обладает хорошими свойствами поглощения и удержания воды. Он способен поглощать и накапливать большое количество влаги в почве, постепенно высвобождая её для усвоения растениями, что улучшает водоудерживающую способность почвы, снижает расход поливной воды и стимулирует рост растений. Кроме того, крахмальный мастербатч применяется для производства биоразлагаемых сельскохозяйственных пленок, обеспечивая экологически чистые укрывные материалы для агропроизводства.

В фармацевтической отрасли крахмальный мастербатч используется для создания матриц пролонгированного высвобождения лекарственных средств. Инкапсуляция препаратов в крахмалосодержащие материалы с использованием биоразлагаемости и контролируемой скорости деградации крахмала обеспечивает медленное высвобождение действующих веществ, продлевая время их действия и повышая эффективность. Также крахмальный мастербатч применяется в качестве фармацевтического вспомогательного вещества для формования таблеток, обеспечения распадаемости и других целей. Например, в некоторых таблетках для перорального применения крахмал выступает в роли дезинтегранта, обеспечивающего быстрый распад таблетки в желудочно-кишечном тракте и высвобождение действующих веществ для облегчения их усвоения организмом.