Study the effect of In-situ micro fibrillation of PE on properties of PLA/polyolefin blend

Abstract

Poly (lactic acid), PLA is widely accepted because it is a biodegradable thermoplastic that can be produced from renewable resources. PLA has good mechanical performances, transparent and barrier properties. However, it also has restriction for applications due to low toughness at room temperature. The aim of this research was improvement of the properties of PLA by blending it with polyolefin by inducing in-situ micro fibrillation. The blend films were prepared by melt blending in a cast film extruder with varied content of polyolefin incorporation from 0-40 % by weight. The content of maleic anhydride grafted with polyethylene and maleic anhydride grafted with polypropylene used in this study was 3 % by weight, acting as a compatibilizer. The blends were characterized for their rheological, morphology, thermal, mechanical and barrier properties. The results indicated that viscosity ratio (disperse/matrix) below 1 resulted in the polyolefin dispersed phase shown as micro fibril in PLA matrix. When the content of polyolefin into PLA was increased the viscosity of the blends was decreased whereas dispersed PE size was larger. In the case of mechanical properties, it was found that PLA/polyolefin 80/20 has highest %Elongation at break. For the gas barrier properties, it was found that the addition of polyolefin resulted in decreased in gas barrier properties. On the other hand, the WVTR seems to be enhanced when compared with neat PLA. In the case of the addition of compatibilizer in to polymer blends, the viscosities were tend to be increased and SEM showed the particle size of dispersed phase tend to be reduced i.e. smaller diameter of micro fibril in PLA matrix. The presence of compatibilizer in the blends showed enhancement in %Elongation at break when compare with non-compatibilization systems.

พอลิแลคติกแอซิด (Poly (lactic acid), PLA) เป็นพลาสติกที่สามารถผลิตได้จากวัสดุทางธรรมชาติ (renewable resource) และสามารถย่อยสลายได้ในทางชีวภาพ มีสมบัติความใสและสมบัติเชิงกลที่ดี แต่อย่างไรก็ตามการใช้พอลิแลคติกแอซิดเป็นบรรจุภัณฑ์ยังมีข้อจำกัดในเรื่องของความแข็งแรง เนื่องจากพอลิแลคติกแอซิดเป็นวัสดุที่เปราะ เมื่อเทียบกับพลาสติกอื่นๆที่ใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ในปัจจุบัน ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ที่จะปรับปรุงสมบัติของพอลิแลคติกแอซิดโดยการผสมกับพอลิโอเลฟิน (LDPE, HDPE และ PP) ตั้งแต่ปริมาณ 0 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ำหนัก ในเครื่อง Co-rotating twin screw extruder และขึ้นรูปเป็นฟิล์มด้วยเครื่อง cast film extruder ซึ่งจะเกิดกระบวนการ in-situ micro-fibrillation ของพอลลิเมอร์ผสม จากนั้นศึกษาสมบัติเชิงรีออโลยี สัณฐานวิทยาของพอลิเมอร์ผสม สมบัติทางความร้อน สมบัติเชิงกล และสมบัติการกั้นผ่าน นอกจากนี้ยังมีการเติมมาเลอิกแอนไฮไดรด์กราฟต์พอลิเอทิลีน (MA-g-PE) และมาเลอิกแอนไฮไดรด์กราฟต์พอลิโพรพิลีน (MA-g-PP) ในปริมาณ 3 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ำหนัก ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารเพิ่มความเข้ากันได้ ผลการศึกษาสมบัติการไหลของพอลิเมอร์ผสมด้วยเครื่อง capillary rheometer และศึกษาสัณฐานวิทยาด้วยเทคนิค SEM พบว่าพอลิเมอร์ผสมจะมีอัตราส่วนความหนืดระหว่างพอลิเมอร์ 2 ชนิด (disperse/matrix) น้อยกว่า 1 ซึ่งจะส่งผลให้พอลิโอเลฟินที่กระจายตัวอยู่ในวัฏภาคของพอลิแลคติกแอซิดมีลักษณะสัณฐานเป็นแบบเส้นใย เมื่ออัตราส่วนของพอลิโอเลฟินเพิ่มขึ้น พบว่าความหนืดของพอลิเมอร์ผสมจะมีแนวโน้มลดลง และอนุภาคของพอลิโอเลฟินจะมีขนาดใหญ่ขึ้น สำหรับการศึกษาสมบัติเชิงกล พบว่าพอลิเมอร์ผสมที่มีอัตราส่วนของ พอลิโอเลฟิน 20% โดยน้ำหนัก จะมีค่าการยืดตัวก่อนการแตกหักสูงสุด ในส่วนของการทดสอบสมบัติการกั้นผ่านพบว่าพอลิเมอร์ผสมจะมีการซึมผ่าน O2 และ CO2 เพิ่มขึ้น ในทางกลับกันจะมีค่าการซึมผ่านไอน้ำลดลง เมื่อเทียบกับ neat PLA ในกรณีของการเติมสารเพิ่มความเข้ากันได้ลงไปในพอลิเมอร์ผสม พบว่าความหนืดของพอลิเมอร์ผสมมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น อนุภาคของพอลิโอเลฟินมีขนาดเล็กลง แสดงถึงเส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นใยที่เล็กลง และมีการยืดตัวก่อนการแตกหักที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับระบบที่ไม่เติมสารสารดังกล่าว