Mieszaniny głęboko eutektyczne jako nowe "zielone" plastyfikatory i rozpuszczalniki skrobi

Celem projektu jest otrzymanie mieszanin głęboko eutektycznych, głównie na bazie surowców pochodzenia naturalnego, i badanie ich jako nowych środków do przetwarzania skrobi np. w celu otrzymania tworzywa alternatywnego dla „plastiku”.

Umieszczanie próbki w aparacie DMA

Odporne na biodegradację materiały z surowców petrochemicznych po przedostaniu się do środowiska stanowią poważny balast. Patrząc na góry wysypisk i pływające śmieciowe wyspy, uświadamiamy sobie ogromną skalę tego problemu. W ubiegłym roku Unia Europejska przegłosowała zakaz stosowania niektórych jednorazowych produktów z materiałów ropopochodnych, który ma wejść w życie w 2021 r. Alternatywą dla takich materiałów są polimery biodegradowalne, do których zalicza się np. te pochodzenia naturalnego, np. polisacharydy czy syntezowane z surowców pochodzenia naturalnego poliestry (np. polilaktyd - PLA). Jednym z polisacharydów jest skrobia, która powszechnie występuje w przyrodzie.  Natywna skrobia nie może być bezpośrednio przetwarzana na wyroby „plastikowe”, jednak można ją odpowiednio zmodyfikować, ułatwiając jej przetwarzanie poprzez tzw. termoplastyfikację w obecności plastyfikatora, podwyższonej temperatury i ciśnienia. Materiały ze skrobi termoplastycznej (TPS) są biodegradowalne i bezpieczne dla środowiska. TPS oraz jej mieszanki są wykorzystywane do produkcji jednorazowych sztućców, płaszczy przeciwdeszczowych, opakowań, worków, mulczów (ściółek do przykrywania drzew i krzewów na zimę). Modyfikatorami do termoplastyfikacji skrobi są m.in. gliceryna, formamid, glikole lub ciecze jonowe. Każdy z wymienionych plastyfikatorów wykazuje niestety pewne wady. Gliceryna mocno oddziałuje z wilgocią oraz prowadzi do retrogradacji plastycznej skrobi („odbudowanie” struktury krystalicznej, prowadzące do kruchości materiału, to samo zjawisko odpowiada np. za czerstwienie pieczywa), formamid jest toksyczny, a ciecze jonowe są wciąż zbyt drogie. Ciecze jonowe mogą być jednak zastąpione przez posiadające podobne do nich cechy mieszaniny głęboko eutektyczne (DES – ang. Deep Eutectic Solvents). Eutektykami nazywamy mieszaniny bądź stopy, których temperatura topnienia jest niższa od temperatur topnienia ich poszczególnych składników. Przykładem mieszaniny eutektycznej dobrze znanej z życia jest układ soli kuchennej z wodą (wykorzystywany do obniżenia temperatury topnienia śniegu). DES (na bazie surowców organicznych) to pojęcie dość nowe, które w literaturze naukowej pojawiło się w 2003 r. DES są tanie, proste w przygotowaniu i nietoksyczne, co więcej można otrzymać je ze związków pochodzenia naturalnego.

Najczęściej w kontekście przetwórstwa skrobi badane są mieszaniny chlorku choliny z mocznikiem lub gliceryną, jednak wiele możliwych kombinacji nie było jeszcze przebadanych, dlatego podjęto takie próby w projekcie. Część stosowanych komponentów do plastyfikacji skrobi jest w postaci stałej, co utrudnia przetwarzanie np. na drodze wytłaczania, natomiast dzięki wprowadzaniu ich w postaci ciekłego eutektyku może zwilżać skrobię, ułatwić wzajemne mieszanie, a także działać jako smar podczas wytłaczania. Otrzymane materiały skrobiowe modyfikowane nowymi plastyfikatorami będą poddane badaniom m.in. właściwości mechanicznych, sorpcyjnych (np. pęcznienie w wodzie), podatności na rekrystalizację po dłuższym czasie przechowywania. Wszystkie te właściwości przekładają się następnie na właściwości użytkowe końcowych produktów. W ramach realizacji projektu udało się m.in. opracować wielofunkcyjne DES (jako plastyfikatory i środki sieciujące podwyższające właściwości mechaniczne, które można wykorzystać do produkcji folii pochłaniających płyny), układy jadalne, czy rozpuszczalne w wodzie TPS z wysoką zawartością mocznika, które można wykorzystać w rolnictwie. Dotychczas w Polsce nikt nie prowadził badań nad wykorzystaniem DES do przetwórstwa czy modyfikacji polisacharydów, mimo że są to surowce tanie i łatwo dostępne.

Literatura: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861718308701

Dr inż. Magdalena Zdanowicz

Dr inż. Magdalena Zdanowicz studia magisterskie ukończyła w 2009 r. na kierunku Ochrona Środowiska, a studia doktoranckie w 2014 r. w dyscyplinie: Technologia Chemiczna na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie. Jest autorką lub współautorką licznych publikacji naukowych oraz kilku zgłoszeń patentowych. W 2015 r. otrzymała 6-miesięczne stypendium w Karlstad finansowane przez Instytut Szwedzki. Obecnie pracuje na ZUT, realizując swoje zainteresowania zawodowe.

Data publikacji: 11.06.2019