การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของกรดโพลีแลกติกอย่างเต็มรูปแบบ

กรดโพลีแลกติก (PLA) เป็นหนึ่งในพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพซึ่งมีการวิจัยและการประยุกต์ใช้อย่างครบถ้วน วัตถุดิบมาจากเส้นใยพืชหมุนเวียน ข้าวโพด ผลพลอยได้ทางการเกษตร ฯลฯ ซึ่งมีความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพได้ดี PLA มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม คล้ายกับพลาสติกโพลีโพรพีลีน และสามารถทดแทนพลาสติก PP และ PET ในบางสาขาได้ ในขณะเดียวกันก็มีความมันวาว ความโปร่งใส ความรู้สึก และคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียที่ดี

1. สถานะปัจจุบันของการผลิต PLA

ปัจจุบัน PLA มีสองเส้นทางการสังเคราะห์ หนึ่งคือการควบแน่นโดยตรง นั่นคือกรดแลคติคจะถูกทำให้แห้งโดยตรงและควบแน่นภายใต้อุณหภูมิสูงและความดันต่ำ กระบวนการผลิตนั้นง่ายและต้นทุนต่ำ แต่มวลโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอ และผลการใช้งานจริงไม่ดี อีกประการหนึ่งคือการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของวงแหวนเปิดซึ่งเป็นวิธีการผลิตหลักในปัจจุบัน

2. ความสามารถในการย่อยสลายของ PLA

PLA มีความเสถียรที่อุณหภูมิห้อง แต่สามารถสลายตัวเป็น CO2 และน้ำได้อย่างง่ายดายและรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นเล็กน้อย สภาพแวดล้อมที่เป็นกรด-เบส และสภาพแวดล้อมของจุลินทรีย์ ดังนั้น ด้วยการควบคุมสภาพแวดล้อมและสารตัวเติม ผลิตภัณฑ์ PLA จึงสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยภายในระยะเวลาที่ถูกต้องและสลายตัวตามเวลาหลังการกำจัด

ปัจจัยที่มีผลต่อการย่อยสลาย PLA ส่วนใหญ่ได้แก่ มวลโมเลกุล สถานะผลึก โครงสร้างจุลภาค อุณหภูมิและความชื้นของสิ่งแวดล้อม ค่า pH เวลาแสง และจุลินทรีย์ในสิ่งแวดล้อม การผสม PLA กับวัสดุอื่นอาจส่งผลต่ออัตราการย่อยสลาย ตัวอย่างเช่น การเติมแป้งไม้หรือเส้นใยฟางข้าวโพดจำนวนหนึ่งลงใน PLA สามารถเร่งอัตราการย่อยสลายได้อย่างมาก

3. คุณสมบัติกั้นของ PLA

สิ่งกีดขวางหมายถึงความสามารถของวัสดุในการป้องกันไม่ให้ก๊าซและไอน้ำไหลผ่าน Barrier มีความสำคัญมากสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์ ปัจจุบัน ถุงพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่พบมากที่สุดในตลาดคือคอมโพสิต PLA/PBAT คุณสมบัติการกั้นที่ดีขึ้นของฟิล์ม PLA สามารถขยายขอบเขตการใช้งานได้ ปัจจัยที่ส่งผลต่อคุณสมบัติกั้นของ PLA ส่วนใหญ่ได้แก่ปัจจัยภายใน (โครงสร้างโมเลกุลและสถานะผลึก) และปัจจัยภายนอก (อุณหภูมิ ความชื้น และแรงภายนอก)

1) การให้ความร้อนแก่ฟิล์ม PLA จะลดคุณสมบัติการกั้น ดังนั้น PLA จึงไม่เหมาะสำหรับบรรจุภัณฑ์อาหารที่ต้องใช้ความร้อน

2) PLA สามารถยืดออกได้ในช่วงที่กำหนดเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของสิ่งกีดขวาง เมื่ออัตราส่วนการยืดตัวเพิ่มขึ้นจาก 1 เป็น 6.5 ความตกผลึกของ PLA จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และทำให้คุณสมบัติของอุปสรรคได้รับการปรับปรุง

3) การเพิ่มอุปสรรคบางอย่าง (เช่น ดินเหนียวและเส้นใย) ลงในเมทริกซ์ PLA สามารถปรับปรุงคุณสมบัติอุปสรรคของ PLA ได้ เนื่องจากสิ่งกีดขวางนี้จะช่วยยืดอายุเส้นทางโค้งของกระบวนการซึมผ่านของน้ำหรือก๊าซของโมเลกุลขนาดเล็ก

4) การเคลือบบนพื้นผิวของฟิล์ม PLA สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของสิ่งกีดขวางได้

4. คุณสมบัติทางกลของ PLA

PLA มีความแข็งแรงที่ดี แต่ไม่มีความเหนียว และไวต่อการโค้งงอและการเสียรูปอย่างมาก ซึ่งโดยปกติจะต้องมีการปรับเปลี่ยนให้แกร่ง เพื่อให้มั่นใจถึงความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของ PLA โดยปกติแล้วจะมีการทำให้แข็งขึ้นโดยการผสมกับเรซินที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ PBAT, PBS, PCL, ยางธรรมชาติ และสารอื่นๆ สามารถปรับปรุงความเหนียวของ PLA ได้

5. คุณสมบัติทางแสงของ PLA

PLA มีความโปร่งใสและความมันวาวซึ่งหาได้ยากในพลาสติกที่ย่อยสลายได้อื่นๆ ซึ่งเทียบได้กับกระดาษแก้วและ PET เหมาะอย่างยิ่งสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มองเห็นและผลการตกแต่งจะดีกว่า โดยทั่วไป ความโปร่งใสและความเงาของ PLA ไม่จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง และควรให้ความสนใจที่จะไม่ลดความโปร่งใสที่ดีให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เมื่อทำการปรับเปลี่ยนด้านอื่น ๆ เพื่อให้มั่นใจถึงการมองเห็นบรรจุภัณฑ์และผลการตกแต่ง

6. คุณสมบัติทางความร้อนของ PLA

ความเสถียรทางความร้อนของวัสดุ PLA เทียบเท่ากับ PVC แต่ต่ำกว่า PP, PE และ PS โดยทั่วไปอุณหภูมิในการประมวลผลจะถูกควบคุมระหว่าง 170 ℃ ถึง 230 ℃ ซึ่งเหมาะสำหรับการฉีด การยืด การอัดขึ้นรูป การเป่าขึ้นรูป การพิมพ์ 3 มิติ และกระบวนการแปรรูปอื่น ๆ

ในกระบวนการประมวลผลจริง อัตราการตกผลึกของ PLA จะช้าและโดยทั่วไปต้องมีการแก้ไข เนื่องจากอัตราการตกผลึกช้าและความเป็นผลึกต่ำ อุณหภูมิการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนของ PLA จึงต่ำ ซึ่งจำกัดการใช้งานในการบรรจุแบบร้อนหรือการฆ่าเชื้อด้วยความร้อน

เพื่อเพิ่มอัตราการตกผลึกและความตกผลึกของ PLA จึงสามารถเพิ่มความบริสุทธิ์เชิงแสงของ PLA ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในขณะที่ผลิต การอบอ่อนยังเป็นวิธีการปรับปรุงความเป็นผลึกของ PLA อีกด้วย นอกจากนี้ ยังสามารถเติมสารนิวคลีเอตติ้งเพื่อปรับปรุงพฤติกรรมการตกผลึกและความตกผลึกได้ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนและปรับปรุงความต้านทานความร้อน

7. คุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรียของ PLA

PLA สามารถทำให้พื้นผิวของผลิตภัณฑ์มีสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดอ่อนๆ และมีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียและกันแสงได้ หากการใช้สารต้านเชื้อแบคทีเรียอื่น ๆ สามารถบรรลุอัตราการต้านเชื้อแบคทีเรียได้มากกว่า 90% ก็สามารถนำมาใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์ต้านเชื้อแบคทีเรียของผลิตภัณฑ์ได้

สารต้านแบคทีเรียอนินทรีย์ที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยไอออนของโลหะหรือออกไซด์ เช่น เงิน ทองแดง และสังกะสี สารต้านแบคทีเรียอินทรีย์ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับบรรจุภัณฑ์ ได้แก่ วานิลลินหรือสารประกอบเอทิลวานิลลิน จำเป็นต้องศึกษาความปลอดภัยของอาหารของสารต้านแบคทีเรียอื่นๆ

8. คุณสมบัติทางไฟฟ้าของ PLA

PLA สามารถเตรียมเป็นคอมโพสิตโพลีเมอร์นำไฟฟ้าได้โดยการเติมอนุภาคที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เช่น คาร์บอนแบล็ค (CB), ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs), เส้นใยคาร์บอน (CF) หรือกราฟีน คอมโพสิตโพลีเมอร์นำไฟฟ้าถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในพลาสติกป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ วัสดุป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า วัสดุทำความร้อนที่อุณหภูมิควบคุมเอง วัสดุสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงบวก และอุปกรณ์ที่ไวต่อสิ่งแวดล้อม

คอมโพสิตโพลีเมอร์นำไฟฟ้าที่มีพลาสมายังมีความสามารถในการย่อยสลายและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในบรรจุภัณฑ์ป้องกันไฟฟ้าสถิตแบบพิเศษ บรรจุภัณฑ์ป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ โพลีเมอร์นำไฟฟ้าที่มีพื้นฐานมาจากปลาสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์ก๊าซหรือของเหลวเพื่อตรวจจับข้อมูลคุณภาพของอาหารได้