Membuat Biopolimer Dapat Diproses Menggunakan Analisis Termal dan Reologi

Belum pernah ada industri plastik yang didorong oleh keberlanjutan seperti sekarang. Tekanan yang meningkat dari masyarakat dan undang-undang membebani industri pengemasan yang menuntut alternatif yang lebih berkelanjutan.

Apa itu biopolimer?

Istilah biopolimer mencakup polimer berbasis hayati, polimer yang dapat terurai secara hayati, yang dapat berbasis minyak, serta kombinasi keduanya: berbasis hayati dan dapat terurai secara hayati pada saat yang bersamaan. Polimer berbasis bio memiliki jejak karbon rendah yang dapat ditingkatkan lebih jauh jika bahannya didaur ulang. Plastik yang dapat terurai secara hayati terkadang dikritik, karena sering kali tidak terurai di lingkungan, melainkan dalam kondisi yang sangat terkendali di pabrik pengomposan.

Oleh karena itu, bahan seperti polihidroksibutirat-hidroksivalerat (PHBV) sangat menarik karena berbasis biologis dan dapat terurai secara hayati pada suhu kamar. Sebagai contoh, bahan ini akan terurai dalam tanah hanya dalam waktu beberapa minggu hingga satu bulan. Polyhydroxybutyrate (PHB) dihasilkan oleh bakteri tertentu sebagai bentuk penyimpanan energi. Bahan murni memiliki Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas tinggi hingga 80%, yang membuatnya agak rapuh dan sulit diproses secara konvensional. Namun, kopolimerisasi di dalam bakteri menghasilkan PHBV dengan sifat mekanik yang baik.

Tantangan #1: Kristalisasi sekunder pada suhu kamar

Sayangnya, sifat-sifat ini berubah selama masa pakai produk yang diproduksi karena KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi yang terus berlanjut dan dengan demikian penggetasan. Hal ini sering terjadi dalam beberapa hari dan membuat material tidak cocok untuk penggunaan jangka pendek. Salah satu solusinya adalah dengan menambahkan polimer atau oligomer lain yang mengurangi atau bahkan menghalangi KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi sekunder pada suhu kamar. Idealnya, bahan yang ditambahkan juga berbasis bio.

Salah satu pemlastis yang cocok untuk PHBV adalah polietilena glikol (PEG) [1]. Dalam sebuah penelitian yang dilakukan di University of Birmingham di laboratorium AMCASH dan Jenkins, Dr. Kelly1^,2 menyelidiki kelarutan campuran ini. Para peneliti menghasilkan berbagai campuran PHBV dan PEG dengan berat molekul rendah dan mempelajari perilaku material menggunakan rheometer rotasi NETZSCH Kinexus Pro+. Untuk mempelajari daya larut, biasanya sapuan frekuensi dilakukan dalam osilasi dan modulus penyimpanan yang diukur diplotkan di atas Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan yang sesuai, pada skala log, untuk mendapatkan plot Han. Han dkk. menyatakan bahwa setiap campuran yang dapat larut akan menunjukkan garis lurus yang sebanding dengan bahan murni dan penyimpangan dari garis tersebut menunjukkan ketidakcocokan [2].

Namun, campuran PHBV-PEG yang dipelajari di sini mengalami degradasi selama pengukuran dan oleh karena itu, metode ini tidak dapat langsung diterapkan. Oleh karena itu, modifikasi yang digunakan untuk sistem yang tidak stabil secara termal digunakan, yang pertama kali diusulkan oleh Yamaguchi dan Arakawa [3]. Sapuan waktu dilakukan pada frekuensi tertentu. Kondisi pengukuran dirangkum dalam Tabel 1 dan hasil sapuan waktu ditunjukkan pada Gambar 1 untuk modulus penyimpanan.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Setelah pengukuran dan pengumpulan data selesai, data penyimpanan dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan diplot terhadap frekuensi untuk setiap interval 60 detik. Kurva master kemudian dibuat dengan menumpangkan data. Kurva master yang dihitung ini digunakan untuk menghitung modulus penyimpanan dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan yang telah dikoreksi pada waktu _t0 dan untuk menghasilkan plot Han, Gambar 2. Untuk semua campuran yang diselidiki, kelarutannya dibuktikan dengan garis lurus yang sebanding dengan PHBV murni.

Rincian lebih lanjut tentang analisis serta penggunaan data reologi untuk menghitung tingkat degradasi dapat ditemukan di sini!

Tantangan #2: Kemampuan proses menjadi film tipis

Dalam penelitian lain yang dilakukan di Institut für Kunststofftechnik di Universitas Stuttgart oleh Silvia Kliem, ^MSc3, sitrat berbasis biologis dipelajari sebagai pemlastis untuk digunakan dalam peniupan film. Karena viskositas dan kekuatan leleh PHBV murni yang rendah, diperlukan aditif biodegradable yang sesuai untuk meningkatkan kemampuan prosesnya menjadi film tipis. Para peneliti mencampurkan PHBV dengan jumlah sitrat yang berbeda (5 dan 10 wt%) sebagai pemlastis serta polilaktida (PLA) dalam jumlah rendah. A NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® digunakan untuk mempelajari efek aditif pada perilaku KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi campuran. Kondisi pengukuran dirangkum dalam Tabel 2.

Tabel 2: Kondisi pengukuran

Gambar 3 menunjukkan kurva pemanasan dan pendinginan campuran PHBV-PLA dengan dan tanpa sitrat. Terlihat bahwa entalpi peleburan dan KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi sebanding untuk ketiga komposisi jika dinormalisasi untuk kandungan berat sitrat (hasil analisis dihilangkan dalam grafik untuk kejelasan yang lebih baik). Puncak pada 175°C dan 120°C masing-masing untuk peleburan dan KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi PHBV. Puncak yang jauh lebih kecil pada suhu 150°C menunjukkan peleburan komponen PLA. Membandingkan kurva yang berbeda lebih lanjut, dapat diamati bahwa aditif sitrat menggeser puncak leleh dan KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi ke suhu yang lebih rendah; dalam kasus 10 wt% sitrat hampir 4 K. Hal ini memiliki pengaruh yang signifikan terhadap degradasi material selama pemrosesan, karena suhu ekstrusi dapat lebih rendah karena adanya plasticizer.

Hasil analisis ini divalidasi dengan uji coba peniupan film. Meskipun campuran PHBV-PLA tanpa pemlastis tidak dapat diekspansi, ekstrusi ditingkatkan dengan 5 wt% sitrat. Hanya dengan 10 wt% yang memungkinkan untuk mempertahankan proses ekstrusi yang stabil dan mencapai ketebalan film <25 µm.

Keseluruhan studi dapat ditemukan di sini!

Analisis Reologi dan Termal cocok untuk menganalisis biopolimer

Kedua penelitian ini menunjukkan contoh pemlastis berbasis bio untuk PHBV berbasis bio untuk membuat bahan kemasan yang dapat terurai sepenuhnya. Dapat dilihat bahwa kedua pemlastis memiliki keunggulan untuk aplikasi yang berbeda yang membutuhkan pemrosesan yang berbeda sebagai baki dibandingkan dengan film tipis. Ditemukan bahwa teknik reologi dan termoanalitik dapat diterapkan untuk menganalisis sifat-sifat biopolimer seperti PHBV dan terutama kemampuan prosesnya. Metode reologi dan termoanalitik sangat membantu karena metode reologi dan termoanalitik hanya membutuhkan sedikit bahan dibandingkan dengan uji coba pemrosesan, tetapi dapat memberikan informasi berharga tentang sifat-sifatnya. Menggunakan teknik yang tepat akan membantu meningkatkan pemahaman kita tentang kelas bahan yang masih relatif baru ini dan memungkinkan peningkatan yang stabil dan kematangan pasar yang sangat kita butuhkan.

^1TentangAMCASH di Universitas Birmingham

Proyek AMCASH, yang merupakan program ERDF yang didanai sebagian, dikoordinasikan melalui School of Metallurgy & Materials di University of Birmingham. Proyek ini menawarkan bantuan teknis kepada organisasi UKM regional yang biasanya berdurasi 2 hari, dalam proyek-proyek yang terkait dengan ilmu material. Pelajari lebih lanjut di sini!

^2Tentanglaboratorium Jenkins di Universitas Birmingham

Kegiatan ini terutama menyangkut hubungan antara struktur kimia, pemrosesan, struktur mikro, dan sifat fisik polimer termoplastik (berbagai polimer, campuran, dan komposit termoplastik), dan lebih jauh lagi, bagaimana sifat-sifat tersebut dapat dipengaruhi oleh masing-masing aspek ini. Pelajari lebih lanjut di sini!

^3TentangInstitut für Kunststofftechnik di Universitas Stuttgart

Keahlian Institut für Kunststofftechnik di bawah arahan Prof. Chrsitian Bonten mencakup seluruh bidang teknologi plastik: teknik material, teknologi pemrosesan (teknik mesin dan proses), dan teknik produk. Pelajari lebih lanjut di sini!

Sumber

[1] Kelly AC, Fitzgerald AVL, Jenkins MJ. Kontrol proses KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi sekunder dalam poli (hidroksibutirat-ko-hidroksivalerat) melalui penggabungan poli (etilen glikol), Polymer Degradtaion and Stability. 2018; 148: 67-74, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.01.003

[2] Yang H, Han CD, Kim JK. Reologi campuran miscisble poli(metilmetakrilat) dengan poli(stirena-ko-akrilonitril) dan dengan poli(vinilidena fluorida), Polimer. 1994; 35(7): 1503-1511

[3] Yamaguchi M, Arakawa K. Pengaruh degradasi termal terhadap sifat reologi untuk poli(3-hidroksibutirat). Eur. Polym. J. 2006;42(7):1479-86

[4] https://www.kunststoffe.de/kunststoffe-zeitschrift/archiv/artikel/citrate-ermoeglichen-die-blasfolienextrusion-von-phbv-ohne-die-abbaubarkeit-zu-beeinflussen-11292093.html