Improvement of mechanical properties and investigation of thermal stability of PHBV with bio-polymer blend and polymer composite method

Abstract

Poly(hydroxybutylate-co-hydroxyvalerate (PHBV) possesses good mechanical properties. However, this polymer has limitations such as narrow processing window and low impact resistance. Therefore, in this research thermal stability during processing of PHBV was improved via combined reaction between free radical and condensation. Mechanical properties of PHBV were also improved by blending with poly(butylene succinate-co-adipate) (PBSA) and prepared short pine apple fiber (SPF) composite. Thermal stability of PHBV was enhanced via free radical reaction by adding di(tert-butylperoxyisopropyl)benzene (DB) 0.3 phr with triallyl isocyanurate (TAIC) 0.1 phr and combined reaction between free radical and condensation reactions using DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr and multifunctional epoxy chain extender (ECE) 0.5 phr. The melt viscosity of PHBV was maintained instead of gradually decreased during processing which indicated an improved thermal stability after applied with these reactive agents. Blending PHBV with PBSA without reactive agents deteriorated mechanical properties due to poor compatibility between these polymers. When DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr and ECE 0.5 phr were added, decreased dispersed phase sizes from 2-10 to 0.3-1 micron, increased tensile strength from 35.3 to 38.1 MPa, elongation at break from 7.9 to 20.9 MPa and impact strength from 2.1 to 3.7 kJ/m2 were observed. An incorporation of maleic anhydride treated SPF (TSPF) 5 phr increased tensile strength from 35.3 to 41.2 MPa and decreased elongation at break from 7.9 to 6.4%. When DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr and ECE 0.5 phr were applied, increased Young’s modulus from 1268 to 1354 MPa with an insignificantly changed tensile strength and elongation at break when compared with PHBV80/PBSA20/TSPF5 without reactive agent could be observed. Furthermore, mechanical properties stability of PHBV, PHBV/PBSA blends and PHBV/PBSA/SPF composites was also studied under storage and accelerated condition. Under storage conditions at 30 °C with humidity of 70%RH for 4 weeks, slightly decreased mechanical properties could be observed. Meanwhile, mechanical properties gradually decreased during testing under accelerated condition. Young’s modulus of PHBV decreased 36.4%, tensile strength decreased 55.9% and elongation at break decreased 41.3%. PHBV, PHBV/PBSA blends and PHBV/PBSA/SPF composite possessed marine biodegradability in mangrove and open sea water condition as observed by gradually decreased sample weight with testing time. In mangrove condition, higher degradation rate was observed which may be related to a difference in microbial population.

พอลิไฮดรอกซีบิวทีเรต-โค-ไฮดรอกซีวารีเลต (PHBV) เป็นพอลิเมอร์ที่มีสมบัติเชิงกลที่ดีแต่มีข้อจำกัดคือมี processing window ที่แคบ, ความทนทานต่อแรงกระแทกที่ต่ำ ในงานวิจัยนี้จึงปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนระหว่าง process ของ PHBV ผ่านปฏิกิริยาร่วมกันระหว่าง free radical และ condensation ปรับปรุงสมบัติเชิงกลโดยเบลนด์ กับพอลิบิวทีลีนซัคซิเนตโคอะดิเปต (PBSA) และทำคอมโพสิตโดยการเติมเส้นใยสัปปะรด (SPF) จากการทดลองพบว่าการใช้ปฏิกิริยา free radical โดยเติม di(tert-butylperoxyisopropyl)benzene (DB) 0.3 phr ร่วมกับ triallyl isocyanurate (TAIC) 0.1 phr ปฏิกิริยาร่วมกันระหว่าง free radical และ condensation โดยเติม DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr และ multifunctional epoxy chain extender (ECE) 0.5 phr สามารถปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนและสามารถควบคุมความหนืดระหว่างกระบวนการของ PHBV ได้ การเบลนด์ PHBV ร่วมกับ PBSA ที่อัตราส่วน 80:20 ทำให้สมบัติเชิงกลลดลงเนื่องจากความเข้ากันได้ไม่ดีระหว่างพอลิเมอร์ทั้งสอง เมื่อเติม DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr และ ECE 0.5 phr ทำให้พอลิเมอร์ทั้งสองเข้ากันได้ดีขึ้นโดยขนาดอนุภาคของ dispersed phase ลดลงจาก 2-10 เป็น 0.3-1 micron, tensile strength เพิ่มขึ้นจาก 35.3 เป็น 38.1 MPa, elongation at break เพิ่มขึ้นจาก 7.9 เป็น 20.9% และ impact strength เพิ่มขึ้นจาก 2.1 เป็น 3.7 kJ/m2 การเติมเส้นใยสัปปะรดที่ผ่านการปรับปรุงด้วย maleic anhydride (TSPF) 5 phr ร่วมกับการเติม DB 0.3 phr, TAIC 0.1 phr และ ECE 0.5 phr ทำให้ Young’s modulus เพิ่มขึ้นจาก 1268 เป็น 1354 MPa โดยที่ Tensile strength และ elongation at break ไม่มีการเปลี่ยนแปลงแบบมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับ PHBV80/PBSA20/TSPF5 และ impact strength มีค่าเพิ่มขึ้นจาก 2.4 เป็น 3.3 kJ/m2 นอกจากนี้ยังได้ศึกษาอิทธิพลของการให้สภาวะในระหว่างการจัดเก็บในสภาวะปกติและการให้สภาวะแบบเร่ง พบว่าสมบัติเชิงกลของ PHBV, PHBV/PBSA blends และ PHBV/PBSA/SPF composite มีแนวโน้มลดลงเล็กน้อยหลังจากจัดเก็บที่อุณหภูมิ 30 °C ความชื้น 70%RH เป็นเวลา 4 สัปดาห์ ในขณะที่สมบัติเชิงกลมีการลดลงอย่างต่อเนื่องในกรณีทำการทดสอบในสภาวะเร่ง เป็นเวลาทั้งหมด 4 สัปดาห์โดย PHBV มีค่า Young’s modulus ลดลง 36.4% , tensile strength ลดลง 55.9% , elongation at break ลดลง 51.1% และ impact strength ลดลง 41.3% PHBV, PHBV/PBSA blends และ PHBV/PBSA/SPF composites มีความสามารถในการย่อยสลายได้ทั้งในป่าชายเลนและน้ำทะเลซึ่งพบการลดลงของน้ำหนักตัวอย่างต่อเนื่องระหว่างการทดสอบเป็นระยะเวลา 4 สัปดาห์โดยตัวอย่างทดสอบสามารถย่อยสลายในป่าชายเลนได้มากกว่าในน้ำทะเลคาดว่าเป็นอิทธิพลของความแตกต่างกันของประชากรจุลินทรีย์