Preparation and properties of bacterial cellulose reinforced poly(lactic acid) composites

Abstract

This research is aimed to study the influence of silane modified bacterial cellulose surface and the addition of bacterial cellulose on the morphology, mechanical and thermal properties and water absorption of Poly(lactic acid) composites (PLA composites). Silane coupling agents which used in this research were 3-Aminopropyl(diethoxy)methylsilane (APDES) and Bis-(3-triethoxysilylpropyl)tetrasulfane (Si69), the amount of silane coupling agent used was 1, 3 and 5 wt%. The amount of bacterial cellulose added in PLA was 1, 4 and 7 wt%. From the studies, PLA composite with 7 wt.% bacterial cellulose treated by 5 wt.% Si69 (PLA/7SiBC(5)) showed the best performance. SEM micrograph of PLA/7SiBC(5) cross section exhibited good distribution of bacterial cellulose and found the breakage through the bacterial cellulose fibers. SiBC(5) has the highest Si contents which deduced from EDX analysis. From FT-IR spectra of SiBC(5) showed peak at 766 cm-1 which is the position of Si-O-C stretching and 873 cm-1 which is the position of Si-O-Si asymmetric stretching. This referred that bacterial cellulose has already been modified by silane coupling agent. PLA/7SiBC(5) has higher thermal degradation temperature than PLA composites incorporated with untreated and APDES treated BC at the same BC contents. PLA/7SiBC(5) also showed the highest crystallinity. Impact strength of PLA/7SiBC(5) was higher than other PLA composites at the same fiber content. In addition, PLA/7SiBC(5) showed the highest young’s modulus and tensile strength whereas the elongation at break of PLA composites decreased with the addition of bacterial cellulose. As well as the water absorption of the composites increased with the BC content. However, PLA composites with Si69 modified BC showed the lowest water absorption.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอิทธิพลของการปรับปรุงพื้นผิวของแบคทีเรียเซลลูโลสด้วยไซเลนและปริมาณการเติมแบคทีเรียเซลลูโลสที่มีต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยา สมบัติเชิงกล เชิงความร้อนและการดูดซึมน้ำของวัสดุคอมโพสิตของพอลิแลคติคแอซิด โดยไซเลนที่ใช้ในการปรับปรุงพื้นผิวของแบคทีเรียเซลลูโลสมี 2 ชนิด คือ 3-Aminopropyl(diethoxy)methylsilane (APDES) และ bis-(3-triethoxysilylpropyl)tetrasulfane (Si69) ที่ปริมาณ 1 3 และ 5 % โดยน้ำหนักและศึกษาปริมาณของแบคทีเรียเซลลูโลสที่ใช้ในการเสริมแรงให้กับ PLA ในปริมาณ 1 4 และ 7% โดยน้ำหนัก จากการศึกษาพบว่าการใช้ไซเลนชนิด Si69 ในปริมาณ 5% โดยน้ำหนักและเติมแบคทีเรียเซลลูโลสปริมาณ 7% โดยน้ำหนัก (PLA/7SiBC(5)) จะส่งผลให้วัสดุคอมโพสิตมีสมบัติที่ดีที่สุดเมื่อเทียบกับคอมโพสิตอื่นๆในงานวิจัยนี้ เมื่อพิจารณาภาพจาก SEM พบว่า ภาคตัดขวางของ PLA/7SiBC(5) จะมีการกระจายตัวของเส้นใยที่ดีในเนื้อพอลิเมอร์และพบการแตกหักเกิดขึ้นที่เส้นใย และเมื่อพิจารณาธาตุซิลิกอนบนแบคทีเรียเซลลูโลสพบว่า แบคทีเรียเซลลูโลสที่มีการปรับปรุงพื้นผิวด้วยไซเลนจะมีปริมาณซิลิกอนมากกว่าแบคทีเรียเซลลูโลสที่ไม่ได้ผ่านการปรับปรุงพื้นผิว นอกจากนี้ยังพบว่า SiBC(5) จะมีปริมาณซิลิกอนมากที่สุดอีกด้วย และจากการพิสูจน์เอกลักษณ์ด้วยเทคนิค FT-IR พบว่า มีการเกิดพีคที่ตำแหน่ง 766 cm-1 ซึ่งเป็นตำแหน่งของ Si-O-C stretching และพบพีคที่ตำแหน่ง 873 cm-1 ซึ่งเป็นตำแหน่งของ Si-O-Si asymmetric stretching ซึ่งพีคเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียเซลลูโลสถูกปรับปรุงด้วยไซเลนแล้ว จากนั้นเมื่อพิจารณาสมบัติทางความร้อนพบว่า PLA/7SiBC(5) มีอุณหภูมิการสลายตัวที่สูงกว่าพอลิเมอร์คอมโพสิตทั้งที่ไม่ได้ผ่านการปรับปรุงพื้นผิวและที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วย APDES ในปริมาณการเติมแบคทีเรียเซลลูโลสที่เท่ากัน รวมถึงยังมีความเป็นผลึกสูงที่สุด และเมื่อพิจารณาสมบัติเชิงกลพบว่า PLA/7SiBC(5) มีค่า Impact strength ที่สูงกว่าพอลิเมอร์คอมโพสิตที่มีการเติมแบคทีเรียเซลลูโลสในปริมาณที่เท่ากันอีกด้วย นอกจากนี้ยังมีค่า Young’s modulus และค่า Tensile strength ที่สูงที่สุดเมื่อเทียบกับ PLA และ PLA คอมโพสิตที่มีการเติมแบคทีเรียเซลลูโลสในปริมาณต่างๆ แต่อย่างไรก็ตามพบว่าค่า Elongation at break ของพอลิเมอร์คอมโพสิตจะมีค่าที่ลดลงตามปริมาณการเติมแบคทีเรียเซลลูโลส ต่อมาเมื่อพิจารณาความสามารถในการดูดซึมน้ำก็พบว่าการดูดซึมน้ำจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณการเติมแบคทีเรียเซลลูโลส แต่อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาอิทธิพลของการปรับปรุงผิวแบคทีเรียเซลลูโลสก็พบว่า ที่ปริมาณการเติมแบคทีเรียเซลลูโลสที่เท่ากัน พอลิเมอร์คอมโพสิตที่เติมแบคทีเรียเซลลูโลสที่ผ่านการปรับปรุงด้วย Si69 จะมีการดูดซึมน้ำน้อยที่สุด