Met welke afbreekbare polymeren kan PBAT worden gemengd?

Polybutyleentereftalaat (PBAT) is een nieuw type volledig biologisch afbreekbaar alifatisch-aromatisch copolyester met ketensegmenten die de flexibiliteit van lange alifatische koolwaterstofketens combineren met de stijfheid van aromatische ringen, waardoor het een uitstekende flexibiliteit heeft. Hierdoor is PBAT uitgegroeid tot een van de meest actieve afbreekbare materialen in onderzoek naar biologisch afbreekbare kunststoffen en kent het goede markttoepassingen. De aanwezigheid van aromatische PBT-ketensegmenten in de moleculaire keten resulteert echter in een relatief trage afbraaksnelheid. Het heeft ook een lage kristalliniteit en een hoge viscositeit, waardoor het zeer gevoelig is voor hechting. Bovendien is het materiaal relatief duur, wat de marktontwikkeling en toepassing ervan verder beperkt. Om de kosten te verlagen en hoogwaardige afbreekbare kunststoffen te verkrijgen, is modificatie van PBAT daarom noodzakelijk. Het mengen van PBAT met biologisch afbreekbare polymeren is een beproefde modificatiemethode die andere eigenschappen kan verbeteren zonder de afbreekbaarheid van PBAT aan te tasten, en sommige biologisch afbreekbare polymeren kunnen de afbraaksnelheid van PBAT zelfs verhogen.

-PBAT gemengd met PLA-

Poly melkzuur (PLA), een van de meest onderzochte en commercieel succesvolle biologisch afbreekbare materialen, heeft uitstekende glans- en barrière-eigenschappen, maar kent ook de nadelen dat het hard en minder taai is, en dat het aan flexibiliteit en elasticiteit ontbreekt. Daarom kan het mengen van zeer taai PBAT met PLA niet alleen de taaiheid van PLA verbeteren, maar ook de afbraaksnelheid van PBAT versnellen.

Er is gebleken dat de toevoeging van PLA de treksterkte van het mengsel aanzienlijk verbetert zonder de kristallijne eigenschappen van PBAT aan te tasten; en dat de verhoogde smeltviscositeit de stabiliteit van PBAT-films tijdens verwerking en vorming verbetert.

Omdat PBAT en PLA incompatibele systemen zijn, richt het onderzoek zich momenteel op het verbeteren van de compatibiliteit tussen de twee, wat resulteert in mengsels met betere mechanische eigenschappen. Zo kan de toevoeging van glycidylmethacrylaat (GMA) met een massafractie van 3% tot 5% de slagvastheid van PLA/PBAT-mengsels verhogen tot respectievelijk 26.5% en 51.7%, terwijl tegelijkertijd de dispersie van PBAT in PLA verbetert. Bovendien kan de toevoeging van een ketenverlenger de grensvlakspanning tussen de twee aanzienlijk verlagen, wat de ductiliteit van PBAT/PLA-films sterk verbetert. De toevoeging van een multifunctionele weekmaker en een condensator kan een goed capaciteits- en weekmakend effect hebben op PBAT/PLA-mengsels, terwijl de verwerkbaarheid wordt verbeterd.

-PBAT gemengd met PPC-

Polypropyleencarbonaat (PPC) is eenmilieuvriendelijk plasticGemaakt door afwisselende copolymerisatie van industrieel afvalkoolstofdioxide en propyleenoxide, heeft het een goede afbreekbaarheid en een uitstekende permeabiliteitsweerstand. Het is echter een amorf materiaal, de glasovergangstemperatuur ligt slechts tussen de 30 en 40 °C, en het heeft een lage taaiheid bij lage temperaturen, een slechte dimensionale stabiliteit bij hoge temperaturen, problemen met filmvorming en andere nadelen. Het mengen van PPC met PBAT verbetert niet alleen de verwerkbaarheid van PPC, maar geeft PBAT ook betere algehele prestaties. Het resulterende composietmateriaal biedt grote ontwikkelingsmogelijkheden voor wegwerpverpakkingen voor voedsel, medische materialen, enzovoort.

Doordat de PPC-fractie in het mengsysteem amorf is, wordt de microkristallijne grootte van de PBAT/PPC-composietfilm verkleind; de toevoeging van PPC verbetert de treksterkte en gasbarrière-eigenschappen van de composietfilm aanzienlijk, terwijl de biologische afbreekbaarheid van de matrix gewaarborgd blijft. Bovendien verbetert de aanwezigheid van PPC en PBAT effectief de thermische stabiliteit, kristalliniteit en mechanische eigenschappen van de mengsels; bij een PPC-gehalte van slechts 10% (massaprocent) stijgt de kristallisatietemperatuur van de mengsels van 37.5 °C naar 66.8 °C, wat het blaasproces voor het vormen van de film vergemakkelijkt.

Omdat PBAT een kristallijn polymeer is met een lange polaire moleculaire keten, kent het ook compatibiliteitsproblemen met PPC. De introductie van de ketenverlenger trifenylmethaantriisocyanaat resulteerde in een aanzienlijke toename van de trek- en scheursterkte van de PBAT/PPC-film in zowel de lengte- als de dwarsrichting. De introductie van het openingsmiddel monoglyceridestearaat verbeterde bovendien de stabiliteit van de film tijdens het blazen. Daarnaast verbeterde de toevoeging van het vulmiddel ethyleenmethylacrylaat-glycidylmethacrylaat (EMA-GMA) aan het mengsel van PPC en PBAT niet alleen de verwerkingsstabiliteit en -kwaliteit van de geblazen film, maar verbeterde het ook effectief de mechanische eigenschappen, de zuurstofbarrière en de UV-afscherming.

-PBAT gemengd met PBS-

Polybutyleensuccinaat (PBS) heeft de beste verwerkingseigenschappen van alle bestaande biologisch afbreekbare kunststoffen, met uitstekende mechanische eigenschappen. De lage viscositeit leidt echter tot een slechte smeltsterkte, wat de verwerking door middel van blaasvormen of gieten bemoeilijkt, en de producten vertonen een zekere broosheid. Door gemodificeerde mengsels van PBAT en PBS te gebruiken, kunnen de voordelen van beide worden gecombineerd om de nadelen te compenseren. De producten die hiermee worden gemaakt, kunnen worden gebruikt in verpakkingen, serviesgoed, landbouwfolies, biomedische materialen en andere toepassingen.

Over het algemeen mag het PBS-gehalte in PBAT/PBS-mengsels niet te hoog zijn; ongeveer 25% is geschikt. Het is gebleken dat PBAT/PBS-mengsels een hoge trekmodulus en een hoge rek bij breuk vertonen wanneer het massafractiegehalte van PBS 25% bedraagt; bij een te hoog PBS-gehalte vertonen de producten een sterke brosheid.

-PBAT vermengd met PHBV-

Poly(pentylhydroxybutyraat) (PHBV) is een biomateriaal gemaakt van natuurlijke, hernieuwbare grondstoffen, gesynthetiseerd door fermentatie met een koolstofbron en energie opgeslagen in micro-organismen. Het heeft een goede biologische afbreekbaarheid en biocompatibiliteit, maar kent ook nadelen zoals een slechte thermische stabiliteit en slechte kristallisatie-eigenschappen. Door het te mengen met PBAT kunnen de kristallijne eigenschappen van PHBV verbeterd worden, waardoor de verwerkings- en toepassingsmogelijkheden van het materiaal worden vergroot.

Het mengsel van PHBV en PBAT vertoont een betere verwerkbaarheid en filmeigenschappen; en de mechanische eigenschappen van de film komen overeen met die van commerciële voedselverpakkingsfolies, met een rek bij breuk tot 750%.

-PBAT gemengd met PGA-

Polyglycolzuur (PGA) heeft een vergelijkbare moleculaire structuur en prestatiekarakteristieken als PLA, maar het heeft betere afbraak- en barrière-eigenschappen. Bovendien is de grondstof goedkoper en heeft het de voordelen van een hoge treksterkte en een hoge hittebestendigheid. Daarom biedt de keuze voor PGA als modificatie voor PBAT-mengsels een groot potentieel voor toepassingen in wegwerpproducten zoals hittebestendig serviesgoed, biologisch afbreekbare foliezakken en barrièreverpakkingen.

Er is gebleken dat PBAT/PGA-composieten met een PGA-massafractie van 20% een treksterkte van 25 MPa en een rek bij breuk van meer dan 600% hebben, waardoor ze geschikt zijn voor de productie van folieproducten. PBAT/PGA-composieten met een PGA-massafractie van 80% hebben een hittebestendigheid van 120 °C en een verbeterde taaiheid, waardoor ze geschikt zijn voor de productie van wegwerpservies. Bovendien kan de toevoeging van PGA de waterdampbarrière-eigenschappen van PBAT/PGA-composietfolies aanzienlijk verbeteren.

Net als bij PLA is de compatibiliteit tussen PGA en PBAT slecht, waardoor geschikte compatibilisatoren moeten worden geselecteerd om de dispersie van het systeem te verbeteren. Zo kan bijvoorbeeld 4,4′-ylideenbis(isocyanatofenyl) (MDI) worden gebruikt om PBAT/PGA-composieten in situ te capaciteren. De succesvolle reactie met MDI resulteerde in een aanzienlijke toename van de interfaciale hechting van de mengsels en een significante toename van de slagvastheid van 9.0 kJ/m² tot 22.2 kJ/m²; en een afname van de kristalliniteit en de grootte van de bolvormige kristallen, wat bijdroeg aan de verbeterde taaiheid en thermische stabiliteit van de composieten.

-PBAT gemengd met PVB-

Polyvinylbutyral (PVB) is het product van de zuurgekatalyseerde condensatie van polyvinylalcohol en n-butyraldehyde, met een bepaalde hoeveelheid weekmaker in de gerecyclede restproducten. Dankzij de moleculaire structuur beschikt PVB over een combinatie van hoge treksterkte, slagvastheid, hoge transparantie, flexibiliteit en biologische afbreekbaarheid. Als restmateriaal is PVB in grote hoeveelheden en tegen lage prijzen beschikbaar, waardoor de keuze voor dit gemodificeerde materiaal grote ontwikkelingsvoordelen biedt. De lage concentratie PVB verhoogt de kristallisatietemperatuur van PBAT; de compatibiliteit en mechanische eigenschappen van PBAT/PVB worden verbeterd door de gezamenlijke werking van het condensatorionomeer en PVB.