Με ποια αποικοδομήσιμα πολυμερή μπορεί να αναμειχθεί το PBAT;

Το τερεφθαλικό πολυβουτυλένιο (PBAT) είναι ένας νέος τύπος πλήρως βιοδιασπώμενου αλειφατικού-αρωματικού συμπολυεστέρα με τμήματα αλυσίδας που συνδυάζουν την ευκαμψία των αλειφατικών υδρογονανθράκων μακράς αλυσίδας με την ακαμψία των αρωματικών δακτυλίων, προσδίδοντάς του εξαιρετική ευκαμψία. Ως αποτέλεσμα, το PBAT έχει γίνει ένα από τα πιο ενεργά αποικοδομήσιμα υλικά στην έρευνα για τα βιοδιασπώμενα πλαστικά και σε καλές εφαρμογές στην αγορά. Ωστόσο, η παρουσία αρωματικών τμημάτων αλυσίδας PBT στην μοριακή αλυσίδα έχει ως αποτέλεσμα σχετικά αργό ρυθμό αποικοδόμησης. Έχει επίσης χαμηλή κρυσταλλικότητα και υψηλό ιξώδες, γεγονός που το καθιστά ιδιαίτερα ευαίσθητο στην προσκόλληση. Επιπλέον, το υλικό είναι σχετικά ακριβό, περιορίζοντας περαιτέρω την ανάπτυξη και την εφαρμογή του στην αγορά. Επομένως, προκειμένου να μειωθεί το κόστος και να ληφθούν αποικοδομήσιμα πλαστικά υψηλής απόδοσης, πρέπει να μελετηθεί η τροποποίηση του PBAT. Η ανάμειξη PBAT με βιοδιασπώμενα πολυμερή είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος τροποποίησης, η οποία μπορεί να βελτιώσει άλλες ιδιότητες χωρίς να επηρεάσει την αποικοδόμηση του PBAT, και ορισμένα βιοδιασπώμενα πολυμερή μπορούν επίσης να ενισχύσουν τον ρυθμό αποικοδόμησης του PBAT.

-PBAT αναμεμειγμένο με PLA-

Το πολυγαλακτικό οξύ (PLA), ένα από τα πιο ερευνημένα και εμπορικά επιτυχημένα βιοδιασπώμενα υλικά, έχει εξαιρετικές ιδιότητες στιλπνότητας και φραγμού, αλλά έχει επίσης τα μειονεκτήματα ότι είναι σκληρό και λιγότερο ανθεκτικό, στερούμενο ευκαμψίας και ελαστικότητας. Επομένως, η ανάμειξη PBAT υψηλής σκληρότητας με PLA μπορεί όχι μόνο να βελτιώσει την ανθεκτικότητα του PLA, αλλά και να επιταχύνει τον ρυθμό αποσύνθεσής του.

Έχει διαπιστωθεί ότι η προσθήκη PLA βελτιώνει σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό του μείγματος χωρίς να επηρεάζει τις κρυσταλλικές ιδιότητες του PBAT και ότι το αυξημένο ιξώδες τήγματος βελτιώνει τη σταθερότητα των μεμβρανών PBAT κατά την επεξεργασία και τη διαμόρφωση.

Δεδομένου ότι το PBAT και το PLA είναι ασύμβατα συστήματα, περισσότερη έρευνα βασίζεται επί του παρόντος στη βελτίωση της συμβατότητας μεταξύ των δύο, με αποτέλεσμα μείγματα με καλύτερες μηχανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η ενσωμάτωση γλυκιδυλομεθακρυλικού (GMA) σε κλάσμα μάζας 3% έως 5% μπορεί να αυξήσει την αντοχή σε κρούση των μειγμάτων PLA/PBAT σε 26.5% και 51.7%, βελτιώνοντας παράλληλα τη διασπορά του PBAT στο PLA. Επιπλέον, η προσθήκη επεκτατικού αλυσίδας μπορεί να μειώσει σημαντικά την τάση διεπιφάνειας μεταξύ των δύο, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την ολκιμότητα των μεμβρανών PBAT/PLA. Η προσθήκη πολυλειτουργικού πλαστικοποιητή ομάδας και πυκνωτή μπορεί να παράγει καλή χωρητικότητα και πλαστικοποιητικό αποτέλεσμα στα μείγματα PBAT/PLA, βελτιώνοντας παράλληλα τις ιδιότητες επεξεργασίας.

-PBAT αναμεμειγμένο με PPC-

Το ανθρακικό πολυπροπυλένιο (PPC) είναι έναφιλικό προς το περιβάλλον πλαστικόΠαρασκευάζεται με εναλλασσόμενο συμπολυμερισμό βιομηχανικών αποβλήτων διοξειδίου του άνθρακα και οξειδίου του προπυλενίου, το οποίο έχει αποικοδομησιμότητα και εξαιρετική αντοχή στη διαπερατότητα. Ωστόσο, είναι ένα άμορφο υλικό, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης είναι μόνο 30-40°C και υπάρχει ανθεκτικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες, η διαστατική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι κακή, δυσκολίες σχηματισμού μεμβράνης και άλλα μειονεκτήματα. Η ανάμειξη PPC με PBAT όχι μόνο βελτιώνει την ικανότητα επεξεργασίας της PPC, αλλά και παρέχει στο PBAT εξαιρετική συνολική απόδοση, και το προκύπτον σύνθετο υλικό θα έχει μεγάλο χώρο ανάπτυξης σε συσκευασίες τροφίμων μιας χρήσης, ιατρικά υλικά κ.λπ.

Καθώς το κλάσμα PPC είναι άμορφο στο αναμεμειγμένο σύστημα, το μικροκρυσταλλικό μέγεθος της σύνθετης μεμβράνης PBAT/PPC μειώνεται. Η ενσωμάτωση PPC βελτιώνει σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό και τις ιδιότητες φραγμού αερίου της σύνθετης μεμβράνης, διασφαλίζοντας παράλληλα τη βιοδιασπασιμότητα της μήτρας. Επιπλέον, η παρουσία PPC και PBAT βελτιώνει αποτελεσματικά τη θερμική σταθερότητα, την κρυσταλλικότητα και τις μηχανικές ιδιότητες των μειγμάτων. Όταν υπάρχει μόνο 10% PPC κατά μάζα, η θερμοκρασία κρυστάλλωσης των μειγμάτων αυξάνεται από 37.5°C σε 66.8°C, γεγονός που διευκολύνει τη διαδικασία σχηματισμού εμφύσησης μεμβράνης.

Δεδομένου ότι το PBAT είναι ένα κρυσταλλικό πολυμερές και έχει μια μεγάλη πολική μοριακή αλυσίδα, παρουσιάζει επίσης προβλήματα συμβατότητας με το PPC. Η εισαγωγή του επεκτατικού αλυσίδας τριφαινυλομεθανίου τριισοκυανικού είχε ως αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της αντοχής σε εφελκυσμό και σχίσιμο της μεμβράνης PBAT/PPC τόσο κατά τη διαμήκη όσο και κατά την εγκάρσια κατεύθυνση. Η εισαγωγή του στεατικού μονογλυκεριδίου ως παράγοντα ανοίγματος βελτίωσε επίσης τη σταθερότητα της μεμβράνης κατά την εμφύσηση. Επιπλέον, η προσθήκη του παράγοντα διογκώσεως αιθυλενομεθυλοακρυλικού - γλυκιδυλομεθακρυλικού (EMA-GMA) στο μείγμα PPC και PBAT όχι μόνο βελτιώνει τη σταθερότητα και την ποιότητα της εμφυσγόμενης μεμβράνης, αλλά βελτιώνει επίσης αποτελεσματικά τις μηχανικές της ιδιότητες, το φράγμα οξυγόνου και τις ιδιότητες θωράκισης από την υπεριώδη ακτινοβολία.

-Το PBAT σε συνδυασμό με το PBS-

Το ηλεκτρικό πολυβουτυλένιο (PBS) έχει την καλύτερη απόδοση επεξεργασίας μεταξύ των υπαρχόντων βιοδιασπώμενων πλαστικών, με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες. Ωστόσο, το χαμηλό ιξώδες του οδηγεί σε χαμηλή αντοχή τήξης, η οποία δεν ευνοεί την επεξεργασία με εμφύσηση ή χύτευση, και τα προϊόντα έχουν κάποια ευθραυστότητα. Επομένως, χρησιμοποιώντας τροποποιημένα μείγματα PBAT και PBS, τα πλεονεκτήματα και των δύο μπορούν να συνδυαστούν για να αντισταθμίσουν τα ελαττώματα, και τα προϊόντα που παράγονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συσκευασίες, επιτραπέζια σκεύη, γεωργικές μεμβράνες, βιοϊατρικά υλικά και άλλους τομείς.

Γενικά, η περιεκτικότητα σε PBS στα μείγματα PBAT/PBS δεν πρέπει να είναι πολύ υψηλή, περίπου 25% είναι η κατάλληλη. Έχει διαπιστωθεί ότι τα μείγματα PBAT/PBS εμφανίζουν υψηλό μέτρο εφελκυσμού και υψηλή επιμήκυνση κατά τη θραύση όταν το κλάσμα μάζας του PBS είναι 25%. Όταν η περιεκτικότητα σε PBS είναι πολύ υψηλή, τα προϊόντα εμφανίζουν ισχυρή ευθραυστότητα.

-PBAT αναμεμειγμένο με PHBV-

Το πολυ(πεντυλυδροξυβουτυρικό) (PHBV) είναι ένα βιοϋλικό που παρασκευάζεται από φυσικά ανανεώσιμα υλικά, συντίθεται με ζύμωση με πηγή άνθρακα και ενέργεια αποθηκευμένη σε μικροοργανισμούς, το οποίο έχει καλή βιοδιασπασιμότητα και βιοσυμβατότητα. Ωστόσο, έχει επίσης μειονεκτήματα όπως κακή θερμική σταθερότητα και κακές ιδιότητες κρυστάλλωσης. Επομένως, η ανάμειξή του με PBAT μπορεί να βελτιώσει τις κρυσταλλικές ιδιότητες του PHBV και να ενισχύσει τις ιδιότητες επεξεργασίας και εφαρμογής του υλικού.

Το μείγμα PHBV και PBAT παρουσιάζει καλύτερη επεξεργασιμότητα και ιδιότητες φιλμ, ενώ οι μηχανικές ιδιότητες της μεμβράνης ευθυγραμμίζονται με εκείνες των εμπορικών μεμβρανών συσκευασίας τροφίμων, με παραμορφώσεις έως και 750% κατά τη θραύση.

-PBAT αναμεμειγμένο με PGA-

Το πολυγλυκολικό οξύ (PGA) έχει παρόμοια μοριακή δομή και χαρακτηριστικά απόδοσης με το PLA, αλλά έχει εξαιρετικές ιδιότητες αποικοδόμησης και φραγμού. Όχι μόνο το κόστος της πρώτης ύλης είναι χαμηλό, αλλά έχει επίσης τα πλεονεκτήματα της υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό και της υψηλής θερμοκρασίας θερμικής παραμόρφωσης. Επομένως, η επιλογή του PGA για την τροποποίηση ανάμειξης PBAT έχει μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής στον τομέα των προϊόντων μιας χρήσης, όπως τα ανθεκτικά στη θερμότητα επιτραπέζια σκεύη, οι βιοδιασπώμενες σακούλες μεμβράνης και οι συσκευασίες φραγμού.

Έχει διαπιστωθεί ότι τα σύνθετα υλικά PBAT/PGA με κλάσμα μάζας PGA 20% έχουν αντοχή σε εφελκυσμό 25 MPa και επιμήκυνση θραύσης άνω του 600%, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή προϊόντων μεμβράνης. Τα σύνθετα υλικά PBAT/PGA με κλάσμα μάζας PGA 80% έχουν θερμοκρασία θερμικής εκτροπής 120°C, βελτιώνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή επιτραπέζιων σκευών μιας χρήσης. Εν τω μεταξύ, η προσθήκη PGA μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση φραγμού υδρατμών των σύνθετων μεμβρανών PBAT/PGA.

Όπως και με το PLA, η συμβατότητα μεταξύ PGA και PBAT είναι κακή, επομένως πρέπει να επιλεγούν κατάλληλοι συμβατοποιητές για να βελτιωθεί η διασπορά του συστήματος. Για παράδειγμα, το 4,4′-υλιδενοδι(ισοκυανατοφαινύλιο) (MDI) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την in situ πυκνοποίηση σύνθετων υλικών PBAT/PGA. Η επιτυχής αντίδραση με MDI είχε ως αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της διεπιφανειακής πρόσφυσης των μιγμάτων και σημαντική αύξηση της αντοχής σε κρούση από 9.0 kJ/m2 σε 22.2 kJ/m2, καθώς και μείωση της κρυσταλλικότητας και του μεγέθους των σφαιρικών κρυστάλλων, γεγονός που συνέβαλε στην αυξημένη ανθεκτικότητα των σύνθετων υλικών και στη θερμική τους σταθερότητα.

-PBAT αναμεμειγμένο με PVB-

Η πολυβινυλοβουτυράλη (PVB) είναι το προϊόν της συμπύκνωσης πολυβινυλικής αλκοόλης και n-βουτυραλδεΰδης που καταλύεται από οξύ, με μια ορισμένη ποσότητα πλαστικοποιητή στα ανακυκλωμένα υπολείμματά της. Λόγω της μοριακής της δομής, η PVB διαθέτει έναν συνδυασμό υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό, αντοχής σε κρούση, υψηλής διαφάνειας, ευκαμψίας και αποικοδόμησης. Ως ανακυκλωμένο υλικό ακμών, η PVB διατίθεται σε μεγάλες ποσότητες και σε χαμηλές τιμές, επομένως η επιλογή της ως τροποποιημένο υλικό έχει μεγάλα πλεονεκτήματα ανάπτυξης. Η χαμηλή συγκέντρωση PVB αυξάνει τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης του PBAT. Η συμβατότητα και οι μηχανικές ιδιότητες του PBAT/PVB βελτιώνονται με την κοινή δράση του ιοντομερούς πυκνωτή και του PVB.