Feasibility study on the improvement of property of Polylactic acid in microwave packaging application

Abstract

This research aims to study on the improvement of the properties of polylactic acid (PLA) for microwave packaging applications. PLA is a bio-based plastic that is non-responsive to microwave radiation [24] and has a low dielectric constant [8]. However, PLA weakness is its thermal properties. The thermal properties of PLA could be improved, for example by adding fillers and nucleating agents [27]. The addition of Talc, CaCO3, and mPET at ratios of 1, 3, and 5 phr and nucleating agents EBU and LAK at ratios of 0.1, 0.3, and 0.5 phr did not significantly change the tensile strength and elongation at break compared to neat PLA, which had values of 60±5 MPa and 10±2%, respectively. However, Young’s modulus increased to the maximum of 1,865±28 MPa with the addition of Talc 5 phr. For dynamic mechanical analysis, at 30°C, the storage modulus increased with the addition of nucleating agents and fillers, hence enhancing the stiffness of PLA. The study also evaluated the performance of packaging with and without water and olive oil microwave heating at 600 watts for 3.5 minutes. The addition of fillers and the nucleating agent EBU improved the heat resistance of PLA, preventing deformation and twisting of the cup packaging. Even though the temperature of water and oil was higher than the Tg of PLA, Neat PLA and PLA with the nucleating agent LAK still experienced deformation due to rapid heating and cooling during processing and the repeated cold crystallization temperature (Tcc) of PLA with LAK at a high temperature. In conclusion, the addition of fillers and nucleating agent EBU improved the crystallity and heat resistance of PLA in both thermoforming at 145±5°C and microwave testing, This enhancement allowed the product to withstand increased temperatures of water and oil, effectively reducing the deformation of the cup packaging.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการปรับปรุงสมบัติของพลาสติกชีวภาพพอลิแลคติกแอสิด (PLA) สำหรับเป็นบรรจุภัณฑ์ใช้งานในไมโครเวฟ เนื่องจาก PLA เป็นพลาสติกชีวภาพที่ไม่ตอบสนองต่อคลื่นไมโครเวฟ[24] และมีค่า dielectric constant ต่ำ[8] แต่ PLA มีจุดอ่อนด้านสมบัติทางความร้อน สามารถปรับปรุงด้วยการเพิ่มปริมาณผลึกของ PLA โดยการเติมสารตัวเติมและสารก่อผลึก[27] จากการศึกษาการเติม Talc, CaCO3 และ mPET ที่อัตราส่วน 1, 3, 5 phr และสารก่อผลึก EBU, LAK ที่อัตราส่วน 0.1, 0.3, 0.5 phr พบว่า Tensile strength และ(%) Elongation at break มีค่าเปลี่ยนแปลงอย่างไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ Neat PLA ซึ่งมีค่าเท่ากับ 60±5 MPa และ10±2% ตามลำดับ สำหรับค่า Yong’s modulus มีค่าเพิ่มขึ้นจาก 1,580±25 MPa เป็น 1,865±28 MPa เมื่อเติม Talc 5 phr สำหรับการทดสอบสมบัติทางกลเชิงไดนามิก พบว่าที่อุณหภูมิ 30 °C ค่า Storage modulus มีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อมีการเติมสารตัวเติม และสารก่อผลึกเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่ม stiffness ของชิ้นงาน การศึกษาความสามารถในการใช้งานในไมโครเวฟโดยการเติมน้ำและน้ำมันมะกอก กำหนดกำลังไฟฟ้าที่ 600 วัตต์เป็นเวลา 3.5 นาที พบว่า การเติมสารตัวเติม และสารก่อผลึก EBU ช่วยให้ผลึกของ PLA มีค่าเพิ่มขึ้น[6] ทำให้ถ้วยบรรจุภัณฑ์ไม่เกิดการบิดเบี้ยวและเสียรูป ถึงแม้ว่าอุณหภูมิของน้ำและน้ำมันสูงกว่าค่า Tg ของ PLA แต่สำหรับ Neat PLA และ PLA ที่เติมสารก่อผลึก LAK ยังมีการบิดเบี้ยวเสียรูปของถ้วยบรรจุภัณฑ์ ซึ่งเกิดจากการให้ความร้อนและการเย็นตัวอย่างรวดเร็วในกระบวนการการขึ้นรูป และอุณหภูมิตกผลึกซ้ำ Tcc ของ PLA LAK เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ผลึกที่เกิดขึ้นไม่เพียงพอต่อการป้องกันการเสียรูป[26] จึงสรุปได้ว่าการเติมสารตัวเติม และสารก่อผลึก EBU ส่งผลให้ PLA ตกผลึกเพิ่มขึ้นในทั้งสองกระบวนการคือ กระบวนการขึ้นรูปด้วยเทอร์โมฟอร์มมิ่งที่อุณหภูมิ 145±5 °C และกระบวนการทดสอบในไมโครเวฟ ทำให้ผลิตภัณฑ์สามารถทนต่ออุณหภูมิของน้ำและน้ำมันที่เพิ่มขึ้น และจะช่วยลดการบิดเบี้ยวและเสียรูปผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ