Termal Analiz ve Reoloji Kullanarak Biyopolimerleri İşlenebilir Hale Getirmek

Plastik sektörü daha önce hiç bu kadar sürdürülebilirlik odaklı olmamıştı. Toplumun ve mevzuatın artan baskısı, daha sürdürülebilir alternatifler talep eden ambalaj endüstrisi üzerinde özellikle ağır bir yük oluşturuyor.

Biyopolimerler nedir?

Biyopolimerler terimi, biyo-bazlı polimerleri, petrol bazlı olabilen biyolojik olarak parçalanabilen polimerleri ve her ikisinin kombinasyonunu içerir: aynı anda hem biyo-bazlı hem de biyolojik olarak parçalanabilen. Biyo-bazlı polimerler düşük karbon ayak izine sahiptir ve bu durum malzemelerin geri dönüştürülmesi halinde daha da iyileştirilebilir. Biyolojik olarak parçalanabilen plastikler bazen eleştirilmektedir, çünkü genellikle çevrede değil, kompost tesislerinde çok kontrollü koşullar altında ayrışmaktadırlar.

Bu nedenle, polihidroksibütirat-hidroksivalat (PHBV) gibi malzemeler, biyo-bazlı olmaları ve oda sıcaklığında biyolojik olarak parçalanabilmeleri nedeniyle özellikle ilgi çekicidir. Örneğin, toprakta sadece birkaç hafta ile bir ay arasında bir süre içinde ayrışacaktır. Polihidroksibütirat (PHB) belirli bakteriler tarafından bir enerji depolama biçimi olarak üretilir. Saf malzeme %80'e varan yüksek birKristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik oranına sahiptir, bu da onu oldukça kırılgan ve geleneksel olarak işlenmesini zor hale getirir. Bununla birlikte, bakteri içindeki kopolimerizasyon iyi mekanik özelliklere sahip PHBV üretir.

Zorluk #1: Oda sıcaklığında ikincil kristalleşme

Ne yazık ki bu özellikler, üretilen ürünlerin hizmet ömrü boyunca sürekli KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme ve dolayısıyla gevrekleşme nedeniyle değişir. Bu genellikle birkaç gün içinde gerçekleşir ve malzemeyi kısa süreli kullanım için bile uygunsuz hale getirir. Çözümlerden biri, oda sıcaklığında ikincil kristalleşmeyi azaltan veya hatta engelleyen başka polimerler veya oligomerler eklemektir. İdeal olan, eklenen malzemenin de biyo-bazlı olmasıdır.

PHBV için bu tür uygun bir plastikleştirici polietilen glikoldür (PEG) [1]. Birmingham Üniversitesi'nde AMCASH ve Jenkins'in laboratuvarlarında gerçekleştirilen bir çalışmada, Dr. Kelly1^,2 bu karışımın karışabilirliğini araştırmıştır. Researcçalışanları çeşitli PHBV ve düşük molekül ağırlıklı PEG karışımları üretmiş ve malzeme davranışını NETZSCH Kinexus Pro+ rotasyonel reometre kullanarak incelemiştir. Karışabilirliği incelemek için, tipik olarak salınım halinde frekans taramaları gerçekleştirilir ve ölçülen depolama modülleri, bir Han grafiği elde etmek için log ölçeklerinde karşılık gelen kayıp modülleri üzerine çizilir. Han ve arkadaşları, herhangi bir karışabilir karışımın saf malzeme ile karşılaştırılabilir düz bir çizgi sergileyeceğini ve bu çizgiden sapmaların karışmazlığı göstereceğini belirtmiştir [2].

Ancak, burada incelenen PHBV-PEG karışımları ölçümler sırasında bozunur ve bu nedenle bu yöntem kolayca uygulanamaz. Bu nedenle, ilk olarak Yamaguchi ve Arakawa [3] tarafından önerilen ve termal olarak kararsız sistemler için kullanılan bir modifikasyon kullanılmıştır. Zaman taramaları belirli frekanslarda gerçekleştirilmiştir. Ölçüm koşulları Tablo 1'de özetlenmiş ve zaman taramalarının sonuçları depolama modülü için Şekil 1'de gösterilmiştir.

Tablo 1: Ölçüm koşulları

Ölçümler ve veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra, hem depolama hem de kayıp modülü verileri her 60 saniyelik aralık için frekansa karşı çizilmiştir. Daha sonra veriler üst üste bindirilerek bir ana eğri oluşturulmuştur. Hesaplanan bu ana eğriler, _t0 zamanında düzeltilmiş depolama ve Viskoz modülKarmaşık modül (viskoz bileşen), kayıp modülü veya G'', numunelerin genel karmaşık modülünün "hayali" kısmıdır. Bu viskoz bileşen, ölçüm yapılan numunenin sıvı benzeri veya faz dışı tepkisini gösterir. kayıp modülünü hesaplamak ve Han plots, Şekil 2'yi oluşturmak için kullanılmıştır. İncelenen tüm karışımlar için, karışabilirlikleri saf PHBV ile karşılaştırılabilir düz bir çizgi ile kanıtlanmıştır.

Bozunma oranlarını hesaplamak için reolojik verilerin kullanımının yanı sıra analiz hakkında daha fazla ayrıntı burada bulunabilir!

Zorluk #2: İnce filmler halinde işlenebilirlik

Stuttgart Üniversitesi Institut für Kunststofftechnik'te Silvia Kliem, ^MSc3 tarafından gerçekleştirilen bir başka çalışmada, biyo-bazlı sitrat film şişirmede kullanılmak üzere plastikleştirici olarak incelenmiştir. Saf PHBV'nin düşük viskozitesi veErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime mukavemeti nedeniyle, ince filmlere işlenebilirliğini artırmak için uygun bir biyolojik olarak parçalanabilir katkı maddesine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmadaarc, PHBV'yi plastikleştirici olarak farklı miktarlarda sitrat (ağırlıkça %5 ve %10) ve düşük miktarlarda polilaktit (PLA) ile karıştırmıştır. Katkı maddesinin karışımın KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme davranışı üzerindeki etkisini incelemek için bir NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^® kullanılmıştır. Ölçüm koşulları Tablo 2'de özetlenmiştir.

Tablo 2: Ölçüm koşulları

Şekil 3 sitrat içeren ve içermeyen PHBV-PLA karışımının ısıtma ve soğutma eğrilerini göstermektedir. Sitrat ağırlık içeriği için normalize edildiğindeErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime ve KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme entalpisinin her üç bileşim için de karşılaştırılabilir olduğu görülebilir (analiz sonuçları daha iyi netlik için grafikte çıkarılmıştır). 175°C ve 120°C'deki pikler sırasıyla PHBV'nin erimesi ve kristalleşmesi içindir. Daha çok smaller 150°C'deki pik PLA bileşeninin erimesini göstermektedir. Farklı eğriler daha fazla karşılaştırıldığında, katkı maddesi sitratınErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime ve KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme zirvelerini daha düşük sıcaklıklara kaydırdığı gözlemlenebilir; ağırlıkça %10 sitrat durumunda neredeyse 4 K. Bu durum, plastikleştirici nedeniyle ekstrüzyon sıcaklığı daha düşük olabileceğinden, işleme sırasında malzemenin bozunması üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Bu analiz sonuçları film üfleme denemeleri ile doğrulanmıştır. Plastikleştirici içermeyen PHBV-PLA karışımları genişletilemezken, ekstrüzyon ağırlıkça %5 sitrat ile iyileştirilmiştir. Sadece ağırlıkça %10 ile istikrarlı bir ekstrüzyon sürecini sürdürmek ve <25 µm film kalınlığına ulaşmak mümkün olmuştur.

Çalışmanın tamamına buradan ulaşabilirsiniz!

Biyopolimerleri analiz etmek için uygun Reoloji ve Termal Analiz

Bu iki çalışma, tamamen bozunabilir bir ambalaj malzemesi oluşturmak üzere biyo-bazlı PHBV için biyo-bazlı plastikleştirici örneklerini göstermektedir. Her iki plastikleştiricinin de ince filmlere kıyasla tepsi gibi farklı işlemler gerektiren farklı uygulamalar için avantajları olduğu görülebilir. PHBV gibi biyopolimerlerin özelliklerini ve özellikle işlenebilirliklerini analiz etmek için hem reolojik hem de termoanalitik tekniklerin uygulanabileceği bulunmuştur. Hem reolojik hem de termoanalitik yöntemlerin, işleme denemelerine kıyasla çok az miktarda malzeme gerektirmesi, ancak özellikleri hakkında değerli bilgiler verebilmesi özellikle yararlıdır. Doğru tekniklerin kullanılması, hala nispeten yeni olan bu malzeme sınıfına ilişkin anlayışımızın artmasına yardımcı olacak ve acilen ihtiyaç duyduğumuz istikrarlı gelişmeye ve pazar olgunluğuna olanak sağlayacaktır.

^1BirminghamÜniversitesi AMCASH ^hakkında

Kısmen finanse edilen bir ERDF programı olan AMCASH projesi, Birmingham Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Okulu tarafından koordine edilmektedir. Proje, bölgesel KOBİ kuruluşlarına malzeme bilimi ile ilgili projelerde genellikle 2 gün süren teknik yardım sunmaktadır. Daha fazlasını buradan öğrenin!

^2BirminghamÜniversitesi'ndeki Jenkins laboratuvarı ^hakkında

Faaliyet esas olarak kimyasal yapı, işleme, mikro yapı ve termoplastik polimerlerin (çok sayıda polimer, karışım ve termoplastik kompozitler) fiziksel özellikleri arasındaki ilişki ve ayrıca özelliklerin bu yönlerin her birinden nasıl etkilenebileceği ile ilgilidir. Daha fazlasını buradan öğrenin!

^3StuttgartÜniversitesi Institut für Kunststofftechnik ^hakkında

Dr.-Ing. Chrsitian Bonten yönetimindeki Institut für Kunststofftechnik'in uzmanlığı plastik teknolojisinin tüm alanlarını kapsamaktadır: malzeme mühendisliği, işleme teknolojisi (mekanik ve proses mühendisliği) ve ürün mühendisliği. Daha fazlasını buradan öğrenin!

Kaynaklar

[1] Kelly AC, Fitzgerald AVL, Jenkins MJ. Poli(etilen glikol) ilavesi yoluyla poli(hidroksibütirat-ko-hidroksivalerat) içindeki ikincil kristalizasyon sürecinin kontrolü, Polimer Bozunumu ve Stabilitesi. 2018; 148: 67-74, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.01.003

[2] Yang H, Han CD, Kim JK. Poli(metilmetakrilat) ile poli(stiren-ko-akrilonitril) ve poli(viniliden florür) karışımlarının reolojisi, Polymer. 1994; 35(7): 1503-1511

[3] Yamaguchi M, Arakawa K. Termal bozunmanın poli(3-hidroksibütirat) için reolojik özellikler üzerindeki etkisi. Eur. Polym. J. 2006;42(7):1479-86

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