폴리(3)의 최대 결정화 속도를 위한 최적 가공 조건

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 497(2023) 이 기사 인용

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폴리(3-하이드록시부티레이트-co-3-하이드록시헥사노에이트)(PHBHHx)의 결정화 속도에 대한 열 및 전단 이력의 영향을 연구했습니다. 다른 결정질 폴리머와 마찬가지로 전단 이력은 전단 속도가 임계값을 초과할 때, 즉 Rouse 완화 시간의 역수일 때 결정화 속도에 큰 영향을 미쳤습니다. 연장된 사슬 결정이 형성된 후에도 구정석 질감이 명확하게 식별 가능했습니다. 그것은 확장된 사슬 결정의 특정 지점에서 자랐습니다. 결과적으로, 흐름 방향을 따라 일련의 구정석이 나타났습니다. 용융 상태의 수지 온도도 중요했습니다. 샘플을 시차 주사 열량계 곡선의 주요 용융 피크를 넘어서는 170°C로 가열했을 때, 녹지 않은 결정은 선형 점탄성 특성에 영향을 미치지 않았습니다. 이는 냉각 중에 나머지 중합체에 대해 효과적인 핵형성제로 작용했습니다. 따라서 전단 이력은 결정화 속도와 구정석 수에 거의 영향을 미치지 않습니다.

플라스틱은 강하고, 내구성이 있으며, 가벼워서 다른 재료를 보다 효율적으로 대체할 수 있다는 점에서 놀라운 합성 소재입니다. 플라스틱의 특성은 합성 방법과 포함된 첨가제를 변경하여 맞춤화할 수도 있으므로 광범위한 산업과 일상 생활에서 유용하게 사용할 수 있습니다1,2. 그러나 이러한 놀라운 물질을 적절하게 관리하지 않으면 필연적으로 생물과 환경에 재앙적인 결과를 가져오는 폐기물 위기를 초래할 것입니다. 이 문제를 해결하려면 적절한 폐기물 관리와 환경에 무해한 플라스틱 개발이 필요합니다. 따라서 분해성이 향상된 바이오 플라스틱 및 대체 재료가 발명되었습니다3,4,5.

폴리(3-하이드록시부티레이트)(PHB)는 재생 가능한 자원으로 생산되고 바다에서도 쉽게 이산화탄소와 물로 생분해되기 때문에 가장 매력적인 바이오플라스틱 중 하나입니다6,7,8,9,10. 그러나 가공에 필요한 온도에서 6원 고리 에스테르 분해를 통해 심각한 열 분해가 발생하기 쉽습니다11,12. 분해 속도와 가공성에 미치는 영향은 정량적으로 예측되었지만 PHB의 열악한 가공성은 무시할 수 없습니다13,14. 따라서 저온 가공이 가능하도록 고분자의 녹는점을 낮추는 다른 단량체 종의 혼입에 대한 집중적인 연구가 수행되었습니다15,16. 폴리(3-하이드록시부티레이트-co-3-하이드록시헥사노에이트)(PHBHHx)는 상업적으로 성공한 공중합체 중 하나입니다. 현재까지 PHBHHx는 쇼핑백, 수저류, 빨대, 식품 포장 등 다양한 응용 분야에 사용되었습니다17,18. PHBHHx의 적용 가능성을 더욱 확장하려면 결정화 속도를 높여 사이클 시간을 줄이거나 생산 속도를 높여야 합니다. 따라서 본 연구에서는 실제 가공 작업을 고려하여 다양한 열 및 전단 이력을 갖는 PHBHHx의 결정화 거동을 조사했습니다.

지금까지 PHB와 그 공중합체의 결정화 거동에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그들에 따르면 PHB는 일반적으로 기존의 냉각 방법에서 α형이라고 불리는 사방정계 형태를 형성하며24 평형 녹는점 \(T_{m}^{0}\)은 약 200°C입니다. 결정화의 선형 성장 속도가 \(T_{m}^{0}\)과 유리 전이 온도 Tg(10 °C 부근) 사이에서 최대가 된다는 점을 고려하면26 결정화를 향상시키기 위한 적절한 온도는 약 105 °C입니다27 . 이는 실험 결과28에 의해 뒷받침되었습니다. 일반적으로 PHB와 그 공중합체는 핵생성 과정이 상당히 느리기 때문에 상대적으로 큰 구정석을 형성하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 핵을 증가시키기 위해 활석, 질화붕소, 수산화인회석, 탄소나노튜브, 산화테르븀, 우라실, 티민, 오로틱산, 벤조산10, 베헨아미드 및 그 유도체, 디에틸 4,5,10 등 다양한 물질이 사용되어 왔으며, 11-테트라옥소-3,6,9,12-테트라아자테트라데칸-1,14-디오에이트29. 유동에 의한 결정화도 연구되었습니다. 유동 중 사슬 신장이 시시 형성의 원인이라는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 사슬 신장의 특성 시간이 긴 고분자량 분획, 즉 Rouse 완화 시간은 흐름 유도 결정화의 초기 단계에서 중요한 역할을 합니다. 분자량 분포. 따라서 Fujita et al.35은 고분자량 PHB를 용액혼합으로 첨가하여 shish-형성을 유도하였고 shish-kebab 구조의 형성이 강화되었음을 확인하였다. 그러나 산업 규모에서는 소량의 고분자량 분획을 균일하게 첨가하는 것이 쉽지 않다. 공중합체에 단독중합체를 첨가하는 것은 결정화 속도를 향상시키기 위해 종종 사용됩니다. 그러나 PHBHHx의 경우 호모폴리머, 즉 PHB를 사용할 경우 열분해가 심각한 문제가 된다.