EN
Защо поливиниловият алкохол е водещ материал за биоразградими филмови пленки
Стандартите OECD 301 и реалната биоразградимост на поливиниловия алкохол
Поливинилалкохолът или PVA показва наистина добра биоразградимост, когато се тества според стандарти OECD 301 – това по същество са лабораторни тестове, които имитират естествените процеси в почвата при наличие на микроби. При тези стандартни тестове филмите от PVA всъщност се разграждат до минерали приблизително на 60% само за 28 дни, което не само отговаря, но дори надвишава минималните изисквания, зададени от ISO 14851 и EN 13432, за да се счита даден материал за лесно биоразградим. Виждали сме този ефект и извън лабораторията. Общинските съоръжения за пречистване на отпадъчни води съобщават, че PVA се разгражда около пет и половина пъти по-бързо от обикновените растителни материали, поради структурата на неговите въглеродни вериги и способността на бактерии като Pseudomonas и Sphingobium буквално да го „изядат“. Според експерти от Коалицията за устойчиво опаковане, компаниите, които преминават към сертифицирано опаковане от PVA, намаляват общото си количество пластмасови отпадъци приблизително с 42% в сравнение с тези, които все още използват традиционни полиолефинови пластмаси.
Как молекулната маса и степента на хидролиза точно регулират биоразграждането на поливинилалкохола
Профилът на биоразграждане на PVA е изключително чувствителен към два ключови структурни параметъра: молекулна маса (MW) и степен на хидролиза (DH). Тези променливи позволяват прецизен контрол върху кинетиката на разтваряне и крайна ефективност на биоразграждането:
- Ниска молекулна маса (10 000–30 000 Da) : Осигурява пълно разграждане в морската среда в рамките на 15 дни
- Висока хидролиза (>98%) : Забавя първоначалното разтваряне, но подобрява крайното биоразграждане – достигайки до 89% минерализация спрямо 72% при частично хидролизирани видове
- Оптимално функционално съотношение : Филми, формулирани с 87–89% хидролиза и средна молекулна маса (~50 000 Da), запазват механичната си цялост до 30 дни, преди да преминат към бързо и почти пълно биоразграждане
Тази настройваемост прави PVA уникално подходящ за разнообразни приложения — от еднократни дозиране на препарати за пране, които се разтварят за по-малко от минута, до аграрни филми за мулч, проектирани за контролирано разлагане в продължение на няколко месеца.
Оптимизиране на формуляцията на филм от поливинилов алкохол за подобряване на производителността и контрол върху разтварянето
Смесване на поливинилов алкохол със стрях и пластификатори за адаптиране на бариерните свойства и скоростта на разтваряне
Когато смесваме ПВА с естествени вещества като нишесте и пластификатори като глицерол, това ни позволява да настройваме с точност чувствителността на материала към вода, неговата гъвкавост и типа бариери, които формира срещу различни вещества, като същевременно запазва способността си за биоразлагане. Добавянето на около 10 до 20 процента нишесте всъщност намалява разтворимостта на материала във вода, което означава, че при потапяне той се разтваря с около 40–60 процента по-бавно. Това се дължи на факта, че нишестето създава по-здрави бариери и срещу кислорода, като подобрява това свойство приблизително с 25 процента благодарение на водородните връзки, които се образуват между молекулите нишесте и веригите ПВА. Това е изключително важно за продукти като опаковки за храни, където трябва да се предотврати прогоряването на мазнините. От друга страна, добавянето на 5–15 процента глицерол прави филмовете значително по-еластични и по-лесни за обработка по време на производството. Изследвания показват, че само 10 процента глицерол могат да увеличат здравината при опън приблизително с 30 процента, без да нарушат времевия график на биоразлагане според стандартните изпитания.
Балансиране на механичната якост и разтворимостта във вода чрез избор на подходяща марка поливинилов алкохол
Постигането на правилния баланс между механичната здравина на материалите от ПВА и тяхното разлагане зависи в значителна степен от избора на подходящия клас ПВА. Версиите с висока молекулна маса (около 130–186 k г/мол) се отличават с висока устойчивост към пробиване, като понякога издържат до 18 MPa преди разрушаване. Обаче тези материали се разтварят по-бавно при контакт с вода. От друга страна, частично хидролизираните класове със степен на хидролиз около 87–89 % се разграждат три пъти по-бързо от напълно хидролизираните със степен на хидролиз над 98 %. Това ги прави по-чувствителни към промени в околната среда. Когато производителите модифицират филмовете от ПВА чрез крослинкиране с органични киселини като оксаловата киселина, постигат още по-добри резултати. При концентрация от около 10 % тази обработка намалява абсорбцията на вода почти наполовина, а едновременно с това увеличава здравината при опън приблизително с една пета. Какво означава това практически? Филмовете остават непокътнати по време на нормална употреба, но напълно изчезват в морска вода само за три дни — което е точно това, от което имат нужда много приложения.
Мащабируемо производство на филми от поливинилалкохол: избор на процес и типични грешки
Леене от разтвор срещу екструзия от разтопина: възможности, производителност и ограничения за топлинна стабилност при поливинилалкохол
Производството на PVA филми в големи мащаби означава избор на подходящ процес за производство, който отговаря на поведението на материала и на функциите, които той трябва да изпълнява в крайния продукт. При метода на разтворно формоване PVA се разтваря във вода, след което филмът се суши при температура под 100 °C. Този метод запазва полимерната структура непроменена и произвежда изключително чисти и хомогенни филми, които са отлични за медицински цели или за приложения, изискващи висока бариерна защита срещу влага. Но има и недостатък: процесът може да обработва само около 5 килограма в час, тъй като изпаряването на водата отнема много време, а етапът на сушене изисква значителни енергийни ресурси. При екструзията в разтопено състояние се постигат значително по-високи скорости на производство — над 50 кг/час, — но процесът протича при температури между 160 и 200 °C, което поставя PVA близо до термичното му разлагане. Когато температурата надхвърли 180 °C, полимерните вериги започват да се разпадат, намалявайки здравината при опън с 15 % до 30 % и водейки до нееднородност на филма. Поддържането на строг контрол върху температурата с точност ±5 °C в различните части на оборудването е абсолютно критично, за да се предотвратят явления като карамелизиране и да се запази стабилна молекулна маса. Въпреки че разтворното формоване все още намира приложение в нишеви пазари, днес повечето комерсиално производство на биоразградими опаковки се основава на екструзия в разтопено състояние, особено когато се комбинира с коекструзионни методи, които добавят влагоустойчиви слоеве около PVA ядрото, за да го защитят по време на производствения процес.
ЧЗВ
Какво представлява поливинилният алкохол?
Поливиниловият алкохол (PVA) е синтетичен полимер, известен със способността си да се биодеградира и широко използван в приложения като опаковки и филми.
Защо поливиниловият алкохол се счита за водещ материал за биоразградими филми?
PVA се счита за най-добрия избор поради изключителната си биоразградимост, потвърдена от лабораторни и реални тестове, както и поради възможността за настройка на структурата му за различни приложения.
Как протича биоразграждането на поливиниловия алкохол?
Филмите от PVA се разграждат чрез микробно действие, като конкретните екологични условия подпомагат този процес. Фактори като молекулна маса и степен на хидролиза влияят върху скоростта на деградация.