WPŁYW DODATKU BIOETANOLU NA WŁASCIWOŚCI ELASTYCZNYCH POWŁOK SKROBIOWYCH

Transkrypt

1 Konferencja Naukowa Problemy gospodarki energią i środowiskiem w rolnictwie, leśnictwie i przemyśle spożywczym WPŁYW DODATKU BIOETANOLU NA WŁASCIWOŚCI ELASTYCZNYCH POWŁOK SKROBIOWYCH Autorzy: Adam Ekielski 1, Tomasz Żelaziński 1, Valentin Vladut 2, Ewa Tulska 1 1 Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji, Wydział Inżynierii Produkcji, SGGW 2 Development Institute for Machines and Installations Designed to Agriculture and Food Industry, Bukareszt, Rumunia 1

2 Wstęp Surowiec na opakowania biodegradowalne Surowce o wysokim stopniu przetworzenia (PLA) Surowce i niskim stopniu przetworzenia (skrobia, celuloza, lignina, białka roślinne) Natywna struktura materiału o niskim stopniu przetworzenia, powoduje, że charakteryzują się stosunkowo niskimi walorami użytkowymi, ale rekompensowanymi stosunkowo niskimi kosztami wytwarzania. Opakowania te są również dobrze odbierane przez rynek jako produkt ekologiczny. 2

3 Wstęp Surowiec na opakowania biodegradowalne Surowce o wysokim stopniu przetworzenia (PLA) Surowce i niskim stopniu przetworzenia (skrobia, celuloza, lignina, białka roślinne) Poprawa jakości materiałów o niskim stopniu przetworzenia jest realizowana przez wprowadzanie do przetwarzanego materiału dodatków poprawiających ich określone cechy bez znacznego podnoszenia kosztów wytwarzania. 3

4 Ograniczenia Problemem w przypadku formowania produktów ze skrobi jest dużo niższa temperatura żelatynizacji niż temperatura topnienia skrobi, co powoduje słabe zdolności odlewnicze skrobi. Skrobia może być przetworzona w termoplastyczny materiał tylko w obecności plastyfikatorów (wody, glicerolu, glikolu, sorbitolu) w procesie łączącym działanie temperatury i sił ścinających. Otrzymana w ten sposób skrobia posiada dwie podstawowe wady w porównaniu do popularnych tworzyw sztucznych. Jedną z nich jest zdolność do wchłaniania wody drugą, stosunkowo słabe właściwości mechaniczne [Pushpadass i inni, 2009]. Poprawę tych właściwości można osiągnąć przez wprowadzenie substancji wzmacniających strukturę TPS lub przez odpowiednią kombinację wykorzystywanych do produkcji TPS plastyfikatorów [Tachaphiboonsap, 2013]. 4

5 Glicerol Najczęściej stosowanym plastyfikatorem po wodzie jest glicerol z powodu wysokiej temperatury wrzenia, dostępności i niskich kosztów. Glicerol jest najczęściej wykorzystywany jako plastyfikator, ze względu na niewielkie cząsteczki, łatwo uzyskujące dostęp pomiędzy łańcuchy polisacharydowe, zmniejszając przez to reakcje między cząsteczkowe polisacharydów, zwiększając odległości pomiędzy cząsteczkami zwiększana jest elastyczność skrobi. Jednak wysoki udział glicerolu powoduje w folii rozciągalnej niepożądaną przepuszczalność pary wodnej będącą czułym na wilgotność. Jest to spowodowane silną hydrofobowością glicerolu. Jest to ograniczenie, które powoduje ograniczenie stosowania folii plastycznej do żywności o wysokiej wilgotności. 5

6 Cel i zakres pracy Celem badań była ocena wpływu dodatku bioetanolu na właściwości mechaniczne powłok skrobiowych. Wykorzystywanych jako powłoki barierowe do opakowań jednorazowego użytku.

7 Metodyka Materiałem badawczym były powłoki elastyczne uzyskane z mieszaniny skrobi ziemniaczanej, wody, glicerolu i bioetanolu. Użyty bioetanol był tzw surówką pozyskaną z gorzelni rolniczej (ok. 60%) Badanie polegało na wymieszaniu 100 g skrobi ziemniaczanej w 800 cm 3 mieszaniny roztworu wody, bietanolu i glicerolu (tabela 1). Mieszanina była podgrzewana do temperatury 80 C, przy równoczesnym intensywnym mieszaniu. Uzyskana w ten sposób zawiesina była wylewana była na płytki Petriego i suszona w temperaturze 40 C, do uzyskania 7% wilgotności.

8 Tabela1. Plan badań 2/3/9 wygenerowany w Statistica v.12.

9 Uzyskane próbki poddano działaniu wody przez okres 6 godzin (pomiar co 1 godz.), a następnie przez okres 6 dni (pomiar co 24 h). Część próbek poddano działaniu pary nasyconej o temp. Ok.. 32 o C, przez okres 6 godzin. Badanie wykonano w komorze klimatycznej KBK-30W.

10 Badania jakościowe Do badań wytrzymałościowych wykorzystano maszynę wytrzymałościową AXIS FA wyposażoną w głowicę max. 25 [N na której wykonano próby przebicia próbek trzepieniem okragłym o srednicy 1,5 mm oraz testy na zrywanie próbki. Za wytrzymałość przyjęto wartość siły maksymalnej Fmax [kn] potrzebnej do przebicia próbek Przebieg wykresów zrywania próbek umożliwił wyznaczenie Modułu Younga dla próbek, który wyznaczono z poniższej zależności wg. Normy IPC-TM-650 TEST METHODS MANUAL. Subject: Tensile Strength, Elongation, and Modulus.

11 Wyniki Badań

12 Moduł Younga [Gpa] Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

13 Wyniki uzyskane po 6 godz. Środowisko wodne

14 Siła maks. potrzebna do przebicia powłoki [N] narażonej na działanie wody Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

15 Zmiany masy [g], medium woda Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

16 Wyniki uzyskane po 6 godz. Środowisko: para nasycona

17 Siła maks. potrzebna do przebicia powłoki [N], w środowisku o wysokiej wilgotności Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

18 Zmiany masy [g], medium para wodna Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

19 Wyniki uzyskane po 6 dniach. Środowisko wodne

20 Siła maks. potrzebna do przebicia powłoki [N], medium woda Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

21 Zmiany masy [g], medium woda Stęż. alk. 0% Stęż. alk. 15% Stęż. alk. 30%

22 Wnioski 1. Jakość powłok skrobiowych zmienia się po poddaniu działania wody oraz pary wodnej, zarówno w czasie 6 godz. i 6 dni. 2. Wzrost udziału alkoholu wpływa na zwiększenie wartości modułu Younga w badanych próbkach. Prawdopodobnie cząsteczki alkoholu zajmują częściowo miejsce cząstek gliceryny, usztywniając łańcuchy amylopektyny 3. Wprowadzenie dodatku alkoholu obniżyło rozpuszczalność badanych próbek, podnosząc wodochłonność. Alkohol zajmując miejsce cząstek glicerolu, blokuje pozostałe molekuły glicerolu, ograniczając rozpuszczalność powłoki. Potwierdzają to również wyniki próbek przechowywanych w komorze klimatycznej 4. Wzrost wodochłonności, wraz ze wzrostem udziału alkoholu spowodowane jest wiązaniem wody przez alkohol. 5. Dodatek alkoholu powoduje podniesienie wytrzymałości na przebijanie powłoki skrobiowej. Jest to istotne w przypadku powłok wykorzystywanych na opakowania ( naczynia jednorazowe). 6. Możliwe jest w celu poprawy właściwości mechanicznych stosowanie nieoczyszczonego bioetanolu, dzięki czemu uzyskuje się skrócenie łańcucha energetycznego w procesie produkcji, podnosząc cechy funkcjonalne produktu przy obniżeniu nakładów energetycznych.

23 Dziękuję za uwagę