Condizioni di lavorazione ottimali per la massima velocità di cristallizzazione di poly(3

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 497 (2023) Citare questo articolo

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È stato studiato l'effetto delle storie termiche e di taglio sulla velocità di cristallizzazione del poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) (PHBHHx). Come con altri polimeri cristallini, la storia del taglio influenzava notevolmente la velocità di cristallizzazione quando la velocità di taglio era oltre un valore critico, cioè l'inverso del tempo di rilassamento di Rouse. Anche dopo la formazione di cristalli a catena estesa, la struttura della sferulite era chiaramente distinguibile. Cresceva da certi punti sui cristalli a catena estesa. Di conseguenza, lungo la direzione del flusso è apparsa una fila di sferuliti. Anche la temperatura della resina allo stato fuso è risultata significativa. Quando il campione è stato riscaldato a 170°C, che è oltre il picco di fusione principale nella curva calorimetrica a scansione differenziale, i cristalli non fusi non hanno influenzato le proprietà viscoelastiche lineari. Hanno agito come efficaci agenti nucleanti per il resto del polimero durante il raffreddamento. Pertanto, la storia del taglio ha difficilmente influenzato la velocità di cristallizzazione e il numero di sferuliti.

La plastica è un materiale sintetico straordinario perché è resistente, durevole e leggero e può quindi essere utilizzato come sostituto più efficiente di altri materiali. Le proprietà di una plastica possono anche essere personalizzate alterando il metodo della sua sintesi e gli additivi inclusi, rendendola utile in un'ampia gamma di settori e nella nostra vita quotidiana1,2. Tuttavia, se non gestiti adeguatamente, questi meravigliosi materiali causeranno inevitabilmente una crisi di rifiuti con conseguenze disastrose per gli esseri viventi e per l’ambiente. La soluzione a questo problema richiede un’adeguata gestione dei rifiuti e lo sviluppo di plastiche innocue per l’ambiente. Pertanto sono state inventate bioplastiche e materiali alternativi con migliorata degradabilità3,4,5.

Il poli(3-idrossibutirrato) (PHB) è una delle bioplastiche più attraenti perché è prodotta da risorse rinnovabili ed è facilmente biodegradabile in anidride carbonica e acqua, anche nell'oceano6,7,8,9,10. Tuttavia, è soggetto a grave degradazione termica a causa della decomposizione dell'estere dell'anello a sei membri alle temperature richieste per la lavorazione11,12. Sebbene il tasso di degradazione e il suo impatto sulla lavorabilità siano stati previsti quantitativamente, la scarsa lavorabilità del PHB non può essere ignorata13,14. Pertanto, è stato condotto uno studio approfondito sull'incorporazione di un'altra specie monomerica in grado di abbassare il punto di fusione del polimero per consentire la lavorazione a bassa temperatura15,16. Il poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) (PHBHHx) è uno di questi copolimeri di successo commerciale. Ad oggi, PHBHHx è stato utilizzato in varie applicazioni come borse della spesa, posate, cannucce e imballaggi alimentari17,18. Per estendere ulteriormente l'applicabilità di PHBHHx, è necessario aumentarne la velocità di cristallizzazione per ridurre il tempo di ciclo e/o aumentare la velocità di produzione19,20,21,22,23. Pertanto, considerando le operazioni di lavorazione effettive, in questo studio è stato esaminato il comportamento di cristallizzazione di un PHBHHx con varie storie termiche e di taglio.

Finora sono stati condotti numerosi studi sul comportamento di cristallizzazione del PHB e dei suoi copolimeri. Secondo loro, il PHB generalmente forma una forma ortorombica, detta forma α, con i metodi di raffreddamento convenzionali24, e il suo punto di fusione all'equilibrio \(T_{m}^{0}\) è di circa 200 °C25. Considerando che la velocità di crescita lineare della cristallizzazione diventa massima tra \(T_{m}^{0}\) e la temperatura di transizione vetrosa Tg, che è intorno a 10 °C26, la temperatura adeguata per favorire la cristallizzazione è intorno a 105 °C27 . Ciò è stato supportato da risultati sperimentali28. In generale, è noto che il PHB e i suoi copolimeri formano sferuliti relativamente grandi, poiché il processo di nucleazione è piuttosto lento. Pertanto, per aumentare i nuclei sono stati utilizzati vari materiali, come talco, nitruro di boro, idrossiapatite, nanotubi di carbonio, ossido di terbio, uracile, timina, acido orotico, acido benzoico10, behenamide e suoi derivati ​​e dietil 4,5,10, 11-tetraosso-3,6,9,12-tetraazatetradecane-1,14-dioato29. È stata studiata anche la cristallizzazione indotta dal flusso. È noto che lo stiramento della catena durante il flusso è responsabile della formazione di shish21,30,31,32,33,34. Pertanto, una frazione ad alto peso molecolare che ha un lungo tempo caratteristico per l'allungamento della catena, cioè il tempo di rilassamento di Rouse, gioca un ruolo importante nella fase iniziale della cristallizzazione indotta dal flusso, sebbene il PHB e i suoi copolimeri prodotti dai microbi di solito abbiano un tempo stretto distribuzione del peso molecolare. Pertanto, Fujita et al.35 hanno aggiunto il PHB ad alto peso molecolare mediante miscelazione della soluzione per indurre la formazione di shish e hanno confermato che la formazione della struttura shish-kebab era migliorata. Tuttavia, su scala industriale, non è facile aggiungere in modo omogeneo una piccola quantità di una frazione ad alto peso molecolare. Anche l'aggiunta di un omopolimero a un copolimero viene spesso utilizzata per aumentare la velocità di cristallizzazione. Nel caso di PHBHHx, tuttavia, la degradazione termica diventa un grave problema quando si utilizza l'omopolimero, ovvero PHB.