Оптимальные условия обработки для максимальной скорости кристаллизации поли(3

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 497 (2023) Цитировать эту статью

585 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Изучено влияние термической истории и истории сдвига на скорость кристаллизации поли(3-гидроксибутират-ко-3-гидроксигексаноата) (PHBHHx). Как и в случае с другими кристаллическими полимерами, история сдвига сильно влияла на скорость кристаллизации, когда скорость сдвига превышала критическое значение, т. е. обратное времени релаксации Рауза. Даже после образования кристаллов с вытянутыми цепочками текстура сферолита была четко различима. Он вырос из определенных точек на вытянутых цепочках кристаллов. В результате вдоль направления потока появился ряд сферолитов. Температура смолы в расплавленном состоянии также имела значение. При нагреве образца до 170 °С, что находится за пределами основного пика плавления на кривой дифференциальной сканирующей калориметрии, нерасплавленные кристаллы не повлияли на линейные вязкоупругие свойства. Они действовали как эффективные зародышеобразователи для остальной части полимера во время охлаждения. Следовательно, история сдвига практически не влияла на скорость кристаллизации и количество сферолитов.

Пластик — замечательный синтетический материал, поскольку он прочный, долговечный и легкий, поэтому его можно использовать в качестве более эффективной замены другим материалам. Свойства пластика также можно настроить, изменив метод его синтеза и входящие в его состав добавки, что делает его полезным в широком спектре отраслей промышленности и в нашей повседневной жизни1,2. Однако, если не правильно обращаться с этими чудесными материалами, это неизбежно приведет к кризису отходов с катастрофическими последствиями для живых существ и окружающей среды. Решение этой проблемы требует правильного обращения с отходами и разработки экологически безвредных пластиков. Поэтому были изобретены биопластики и альтернативные материалы с улучшенной способностью к разложению3,4,5.

Поли(3-гидроксибутират) (ПГБ) является одним из наиболее привлекательных биопластиков, поскольку он производится из возобновляемых ресурсов и легко биоразлагается до углекислого газа и воды даже в океане6,7,8,9,10. Однако он склонен к серьезной термической деградации из-за разложения сложного эфира с шестичленным кольцом при температурах, необходимых для обработки11,12. Хотя скорость разложения и ее влияние на технологичность были предсказаны количественно, нельзя игнорировать плохую технологичность ПОБ13,14. Поэтому были проведены интенсивные исследования по включению других видов мономеров, которые могли бы снизить температуру плавления полимера, чтобы обеспечить возможность низкотемпературной обработки15,16. Поли(3-гидроксибутират-со-3-гидроксигексаноат) (PHBHHx) является одним из таких коммерчески успешных сополимеров. На сегодняшний день PHBHHx используется в различных целях, таких как сумки для покупок, столовые приборы, соломинки и упаковка для пищевых продуктов17,18. Для дальнейшего расширения применимости PHBHHx необходимо увеличить скорость его кристаллизации, чтобы сократить время цикла и/или увеличить производительность19,20,21,22,23. Поэтому, учитывая реальные операции обработки, в этом исследовании было изучено поведение кристаллизации PHBHHx с различными термическими и сдвиговыми историями.

К настоящему времени проведен ряд исследований кристаллизационного поведения ПОБ и его сополимеров. По их мнению, при обычных методах охлаждения ПГБ обычно образует орторомбическую форму, так называемую α-форму, а его равновесная температура плавления \(T_{m}^{0}\) составляет около 200 °C25. Учитывая, что скорость линейного роста кристаллизации становится максимальной между \(T_{m}^{0}\) и температурой стеклования Tg, которая составляет около 10 °C26, подходящая температура для усиления кристаллизации составляет около 105 °C27. . Это было подтверждено экспериментальными результатами28. В целом известно, что ПОБ и его сополимеры образуют относительно крупные сферолиты, поскольку процесс зародышеобразования довольно медленный. Поэтому для увеличения ядер использовались различные материалы, такие как тальк, нитрид бора, гидроксиапатит, углеродные нанотрубки, оксид тербия, урацил, тимин, оротовая кислота, бензойная кислота10, бегенамид и его производные, а также диэтил 4,5,10. 11-тетраоксо-3,6,9,12-тетраазатетрадекан-1,14-диоат29. Также была изучена кристаллизация, вызванная течением. Хорошо известно, что растяжение цепи во время течения ответственно за образование шиш21,30,31,32,33,34. Таким образом, на ранней стадии проточной кристаллизации важную роль играет высокомолекулярная фракция, имеющая большое характерное время растяжения цепи, т. е. время релаксации Рауза, хотя ПГБ и его сополимеры, продуцируемые микробами, обычно обладают узкими характеристиками. молекулярно-массовое распределение. Поэтому Фудзита и др.35 добавили высокомолекулярный ПОБ путем смешивания раствора, чтобы вызвать образование шашлыка, и подтвердили, что образование структуры шашлыка усиливается. Однако в промышленном масштабе гомогенно добавить небольшое количество высокомолекулярной фракции непросто. Добавление гомополимера к сополимеру также часто используется для повышения скорости кристаллизации. Однако в случае ПОБГГх термическая деградация становится серьезной проблемой при использовании гомополимера, т.е. ПОБ.