Nucleation efficiency of sulfonate derivatives compounds for Polylactic acid

Abstract

The objective of this research is to study and improve the crystallization rate of PLA using sulfonate salt nucleating agents. In this work, the sulfonate derivatives which is sodium dimethyl 5-sulfoisophthalate (SSIPA), synthesized followed the method of Timothy Oster, have been used as nucleating agent compared to the commercial sulfonate nucleating agent for PLA, potassium dimethyl 5-sulfoisophthalate (LAK-301), and commercial sodium salt nucleating agent for PP, Bicyclic[2.2.1]heptane-2,3-dicarboxylic acid disodium salt (HPN-68L). with the nucleating agent content of 0.5wt% and 1.0wt%. The DSC results showed the increase of crystallinity after mixed 0.5wt% of SSIPA with PLA from 16.68 to 55.94% for PLA L105 and from 20.78 to 48.87% for PLA 3251D. The isothermal DSC results indicated the significant improvement of rate of crystallization of PLA after introducing SSIPA. The half-time crystallization (t1/2) of PLA reduced from 60.7 to 2.3 min for PLA L105 at 140°C and from 65.2 to 2.3 min for PLA 3251D at 130°C. The nucleating efficiency of SSIPA on PLA was as good as LAK-301 with the %NE of 32.83 and 25.51% for PLA L105 and PLA 3251D, respectively. The XRD patterns revealed no difference between neat PLA and PLA with SSIPA indicated that SSIPA have no effect on crystal structure of PLA. Tensile modulus of PLA increase with the addition of SSIPA into PLA while elongation at break, tensile strength and impact strength of PLA drop. From the discussed results, it can be concluded that SSIPA was the effective nucleating agent for PLA.

งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อศึกษาและปรับปรุงอัตราการตกผลึกของ PLA โดยการเติมสารก่อผลึกประเภทเกลือซัลโฟเนต โดยจะทำการเปรียบเทียบระหว่างสารก่อผลึกที่สังเคราะห์ คือ Sodium dimethyl 5-sulfoisophthalate หรือ SSIPA ซึ่งสังเคราะห์ตามวิธีการของ Timothy Oster และสารก่อผลึกในเชิงพาณิชย์สำหรับ PLA คือ Potassium dimethyl 5-sulfoisophthalate หรือ LAK-301 และสารก่อผลึกในเชิงพาณิชย์สำหรับ PP คือ Bicyclic[2.2.1]heptane-2,3-dicarboxylic acid disodium salt หรือ HPN-68L โดยในงานวิจัยนี้ จะทำการผสมสารก่อผลึกลงใน PLA สองเกรด ในอัตราส่วน 0.5wt% และ 1.0wt% จากการศึกษาด้วยเทคนิค DSC พบว่าการเติม SSIPA ที่ปริมาณ 0.5wt% ทำให้ปริมาณผลึกของ PLA L105 และ PLA 3251D เพิ่มขึ้นจาก 16.68% และ 20.78% เป็น 55.94% และ 48.87% ตามลำดับ จากผลการทดสอบ DSC ในโหมดอุณหภูมิคงที่แสดงให้เห็นว่าอัตราการตกผลึกของ PLA เมื่อผสม SSIPA นั้นเพิ่มสูงขึ้น โดยมีค่า t1/2 ของ PLA L105 ที่อุณหภูมิ 140°C และ PLA 3251D ที่อุณหภูมิ 130°C ลดลงจาก 60.7 และ 65.2 นาที เหลือ 2.3 และ 2.3 นาที อีกทั้ง SSIPA ยังมีประสิทธิภาพในการทำหน้าที่เป็น nucleator ได้ดีเทียบเท่ากับ LAK-301 โดยมีประสิทธิภาพการก่อผลึกใน PLA L105 อยู่ที่ 32.83% และใน PLA 3251D อยู่ที่ 25.51% จากการศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์แสงโพลาไรซ์ พบว่าการผสม SSIPA ทำให้ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของผลึกลดลงและมีความหนาแน่นของ nucleus เพิ่มขึ้นอย่างมาก จากการศึกษาโครงสร้างของผลึกด้วยเทคนิค XRD พบว่าการผสม SSIPA ไม่มีผลต่อโครงสร้างของผลึก และเมื่อศึกษาผลของการเติมสารก่อผลึกต่อสมบัติเชิงกล พบว่า การเติม SSIPA ทำให้ PLA มีค่า Young’s modulus สูงขึ้น แต่มีค่า elongation at break, tensile strength และ impact strength ลดลง จากผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า SSIPA สามารถทำหน้าที่เป็นสารก่อผลึกที่มีประสิทธิภาพสำหรับ PLA ได้