การลดความเปราะและแปรสภาพด้วยความร้อนของพลาสติกชีวภาพพอลิแลคติกแอซิด

Abstract

พอลิแลคติกแอซิด (Polylactic acid, PLA) เป็นพลาสติกชีวภาพที่แข็งแรง แต่ไม่ทนต่อความร้อนและเปราะ การศึกษานี้มุ่งช่วยเพิ่มการทนต่อความร้อนให้ PLA โดยเพิ่มระดับความเป็นผลึก อีกส่วนหนึ่ง มุ่งปรับลดความเปราะให้กับ PLA ด้วยสารเพิ่มความยืดหยุ่น งานวิจัยแบ่งเป็น 3 ส่วน ส่วนแรกปรับปรุงเสถียรทางความร้อนของ PLA ด้วยสารก่อผลึก 2 ชนิด ได้แก่ ทัลก์และไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ปริมาณ 0–10 %wt พบว่าทั้งทัลก์และ TiO2 ช่วยให้ PLA เกิดผลึกได้มากและเร็วขึ้น โดยเฉพาะเมื่อเติมทัลก์ 5 %wt ทำให้ระดับความเป็นผลึกของ PLA เพิ่มสูงสุดจาก 5.8% เป็น 17.1% ส่งผลให้เสถียรความร้อนในรูปอุณหภูมิอ่อนตัวเพิ่มขึ้นสูงสุดจาก 54.1°C เป็น 59.1°C นอกจากการเติมสารก่อผลึกแล้ว งานวิจัยนี้ได้ใช้เทคนิคการดึงยืดทิศทางเดียว ช่วยเพิ่มเสถียรทางความร้อนให้กับ PLA ขึ้นไปได้อีกจนอุณหภูมิอ่อนตัวเพิ่มขึ้นเป็น 71.2°C ภายหลังฟิล์มผ่านการดึงยืดทิศทางเดียว การเติมทัลก์ 5 %wt ยังทำให้ทนแรงกระแทกเพิ่มขึ้นสูงสุดจาก 327.5 J/m ของ PLA เป็น 685.8 J/m ส่วนการเติม TiO2 ปริมาณ 3 %wt ช่วยเพิ่มสมบัติเชิงความร้อนได้มากที่สุด โดยอุณหภูมิอ่อนตัวเพิ่มเป็น 68.4°C แต่ยังต่ำกว่าการเติมทัลก์ 5 %wt และเพิ่มระดับความเป็นผลึกเป็น 12.3 % แสดงว่าทัลก์มีประสิทธิภาพเพิ่มเสถียรความร้อนได้ดีกว่า TiO2 ส่วนที่สองมุ่งปรับลดความเปราะของ PLA ด้วยสารเพิ่มความยืดหยุ่น 3 ชนิด ได้แก่ ยางซิลิโคน เรซินซิลิโคน และยางผสม SAR ปริมาณ 0–10 %wt ยางผสม SAR อนุภาคขนาด 1–2 ไมโครเมตร มีการกระจายตัวและการยึดติดกับ PLA ได้ดีกว่ายางซิลิโคนและเรซินซิลิโคน ทั้งยังมีประสิทธิภาพช่วยเพิ่มความเหนียวให้กับ PLA ได้สูงสุด เมื่อเติมยางผสม SAR 3 %wt ทำให้ระยะยืด ณ จุดขาดเพิ่มถึง 24 เท่าจาก 7.4% ของ PLA เป็น 179.4% ส่วนยางผสม SAR 10 %wt ช่วยให้ความต้านทานแรงกระแทกเพิ่มขึ้น 3 เท่าเป็น 932.9 J/m จาก 327.5 J/m ของ PLA ยางซิลิโคนไม่ช่วยเพิ่มความเหนียวเพราะเกิดการรวมตัว ไอน้ำและก๊าซออกซิเจนซึมผ่านฟิล์ม PLA ได้เพิ่มขึ้นเมื่อใส่สารเพิ่มความยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น เนื่องจากสารที่เติมทำให้สายโซ่ที่เป็นอสัณฐานเพิ่มขึ้น ส่วนสุดท้ายปรับปรุงทั้งกระบวนการเกิดผลึกและลดความเปราะของ PLA ด้วยการใช้สารก่อผลึกร่วมกับสารเพิ่มความยืดหยุ่น การศึกษาสองส่วนแรกชี้ให้เห็นว่าการเติมทัลก์ 5 %wt ให้สมบัติเชิงกลและเชิงความร้อนซึ่งดีที่สุด ส่วนการเติม SAR 3 %wt ก็ช่วยให้ระยะยืด ณ จุดขาดสูงสุด และการเติม SAR 10 %wt ก็ช่วยเพิ่มความต้านทานแรงกระแทกสูงสุด จึงเลือกปริมาณการเติมสารดังกล่าวมาศึกษาในส่วนที่สาม พบว่าทัลก์และยางผสม SAR กระจายตัวทั่วเมตริกซ์ PLA มีการยึดดีระหว่างวัฏภาค ฟิล์มสูตร PLA/ทัลก์/ยางผสม SAR อัตราส่วน 85/5/10 สามารถทนแรงกระแทกสูงขึ้นถึง 5 เท่าเป็น 1,627.4 J/m ฟิล์มสูตร 92/5/3 และ 85/5/10 มีระยะยืด ณ จุดขาดเพิ่มเป็น 124.3% และ 62.5%