Alginate-based biodegradable films with co-rotating twin screw extrusion

Význam tématu

Výroba a využití jednorázových plastů představuje závažný environmentální problém. Biologicky rozložitelné filmy založené na biopolymerech, jako je alginát, nabízejí udržitelnou alternativu s nižší uhlíkovou stopou a rychlejším rozkladem ve srovnání s konvenčními plasty.

Cíle a přehled studie

Cílem této aplikace bylo demonstrovat možnost kontinuální výroby alginátových filmů pomocí spirálního extrudéru se dvěma protiběžnými šneky (twin-screw extrusion). Studie popisuje kroky procesu, optimalizaci parametrů a předvedení mechanických vlastností výsledných filmů.

Použitá metodika a instrumentace

Proces výroby filmů probíhal následujícím způsobem:

• Materiál: práškový natrium alginát.
• Plasticizér: směs vody a glycerolu (50 : 50 hmotn. %).
• Dávkování: gravimetrické podávání alginátu 160 g/h a peristaltické čerpadlo pro vodu-glycerol 300 g/h.
• Systém: Thermo Scientific™ Process™ 11 Twin-Screw Extruder s modulárním šnekem obsahujícím míchací a hnědací zóny.
• Teplotní profil: sudá palice 80 °C, střední zóny 110 °C, přechodový adaptér 110 °C.
• Výstupní forma: 30 mm štěrbinová matrice s nastavitelnou výškou 1 mm, elektricky vyhřívaná na 100 °C.
• Obtahování: konstatní rychlostí přes tři chlazené válce.

Mechanické zkoušky:

• Tahové testy (uniaxiální) pomocí HAAKE™ MARS™ iQ Air Rheometer s pecí TM-CR-O450.
• Formát vzorků: 9 × 0,7 × 20 mm, řezy ve směru (0°) a napříč (90°) vůči extruzi.
• Podmínky: 25 °C, rychlost tahu 0,1 mm/s, záznam 1000 měření, povrch vzorků opatřen brusným papírem proti prokluzu.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky tahových testů ukázaly anizotropní charakter filmu. Vzorky tahané podélně vykazovaly nižší maximální napětí a průtažnost než vzorky tažené kolmo na směr extruze. Tento jev je důsledkem orientace polymerních řetězců při extruzi. Pozorování bodu přetržení kamerou poskytlo obraz o okamžiku a místě porušení struktury.

Přínosy a praktické využití metody

Výhody kontinuální extruze alginátových filmů:

• Rychlejší vývoj a optimalizace formulací oproti sériovým litým metodám.
• Zlepšená kontrola tloušťky a konzistence filmů.
• Možnost průmyslového škálování a integrace s dalšími procesními kroky.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další možnosti rozvoje zahrnují:

• Začlenění funkčních přísad (antibakteriální, barviva, aktivní molekuly).
• Optimalizaci směsi plastizérů pro zvýšení odolnosti a flexibility.
• Ekologické zdroje surovin (agroodpad, vedlejší produkty bioprocesů).
• Automatizaci a on-line monitorování kvality filmů.

Závěr

Použití co-rotujícího dvojšnekového extrudéru umožňuje efektivní výrobní proces alginátových biologicky rozložitelných filmů s řízenými mechanickými vlastnostmi. Metoda slibuje urychlení vývoje udržitelných obalových materiálů a snadné přechody k průmyslovému měřítku.

Reference

1. Jha A.; Kumar A. Biobased technologies for the efficient extraction of biopolymers from waste biomass. Bioprocess Biosyst. Eng. 2019, 42, 1893–1901.
2. Mellinas C.; Ramos M.; Jiménez A.; Garrigós M.C. Recent Trends in the Use of Pectin from Agro-Waste Residues as a Natural-Based Biopolymer for Food Packaging Applications. Materials 2020, 13, 673.
3. Gonçalves de Oliveira J. et al. Active food packaging: Alginate films with cottonseed protein hydrolysates. Food Hydrocolloids 2019, 92, 267–275.