Development of biodegradable plastics top seal packaging for instant foods

Abstract

Polybutylene succinate (PBS) and polybutylene succinate-co-adipate (PBSA) are biodegradable polymers with mechanical properties similar to polyolefin. In general, a top seal film used as instant food packaging film is made from non-biodegradable polyethylene (PE). Therefore, this research aims to study the polymer blend film derived from 80 %wt of PBS and PBSA as matrices with and without reactive agents by blending with poly(butylene adipate-co-terephthalate (PBAT), which has a good melt strength to make processing easier and blending with poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), which has the good barrier properties. The dispersed PHBV and PBAT were fixed at 20 %wt. The oxygen transmission rate (OTR) and water vapor transmission rate (WVTR), mechanical properties and peel strength test of polymer blend films with and without reactive agents (peroxides or epoxide compounds) are investigated. The results show that PBS based and PBSA based blends with dispersed PBAT phase via condensation reaction by adding Joncryl® ADR 4468 (ECE) 0.1 phr is sufficient to improve the compatibility between phases but the OTR and WVTR values are not improved. The mechanical properties show that Young's modulus is reduced and the elongation at break is increased compared to neat PBS and PBSA. Peel strength test after blending is found to have a wider range within the easy-open peel. For blending with dispersed PHBV phase through three systems: the free radical reaction (Perkadox® 14S or DB 0.02 phr.), the condensation reaction (ECE 0.1 phr.) and the combined reaction of the free radical and condensation (DB 0.02 + ECE 0.1 phr.), it is found that the OTR and WVTR values are tended to decrease when compared to the PBS and PBSA film due to the improved interfacial adhesion at the surface of the two-phase polymer. The mechanical properties after blending with PHBV change with the amount of increased PHBV. Young's modulus increases and elongation at break decreases when compared to the PBS and PBSA films. Peel strength test after blending, the easy-open peel range shifts toward higher sealing temperatures. When the peroxide type is changed from DB to dicumyl peroxide or DCP, there is no significant change in OTR and WVTR values. However, the excess peroxide content results in more cross-links in the polymer chain, making the mechanical properties worse. It is more difficult to seal and the peel force value in the easy-open peel range shifts toward a higher sealing temperature. In semi-industrial studies, it was found that the OTR, WVTR, mechanical properties and peel strength test show the same trends as in the lab scale experiment. The peeling in the easy-open peel range after blending with PBAT or PHBV shows the peeling behavior as adhesive peel and cohesive peel, which can be easily peeled off. When blending PBS and PBSA with 20 %wt PBAT, the mechanical properties could be modified and the easy-open peel range was winder whereas the OTR and WVTE values remained almost unaffected. When blending with 20 %wt PHBV, the OTR and WVTR values could be manipulated while the mechanical properties depended on the blended polymers.

พอลิบิวธิลีนซัคซิเนต (PBS) และพอลิบิวธิลีนซัคซิเนตโคอะดิเพท (PBSA) เป็นพอลิเมอร์ที่สามารถแตกสลายได้ทางชีวภาพ ที่มีสมบัติเชิงกลคล้ายคลึงกับพอลิเมอร์กลุ่มพอลิโอเลฟิน ซึ่งโดยทั่วไปฟิล์มปิดบรรจุภัณฑ์อาหารสำเร็จรูป (top seal) ส่วนใหญ่ทำจาก low density polyethylene (LDPE) ที่ไม่สามารถแตกสลายได้ทางชีวภาพ งานวิจัยนี้ได้ศึกษาพอลิเมอร์เบลนด์ฟิล์มโดยมี PBS และ PBSA เป็นองค์ประกอบหลักในสัดส่วนร้อยละ 80 เบลนด์กับเฟสรองพอลิบิวทิลีนอะดิเพท-โค-เทเรฟทาเลท (PBAT) ซึ่งมี melt strength ที่ดีเพื่อให้การขึ้นรูปได้ง่ายขึ้น และการเบลนด์กับเฟสรองพอลิ (3-ไฮดรอกซีบิวทิเรต-โค-3-ไฮดรอกซีวาเลอเรต) (PHBV) เพื่อให้ได้อัตราการซึมผ่านของออกซิเจน (OTR) และไอน้ำ (WVTR) ที่ดี โดยทำการเบลนด์กับพอลิเมอร์เฟสรอง PBAT หรือ PHBV ในสัดส่วนร้อยละ 20 ทั้งในระบบ non-reactive blend และระบบ reactive blend และทำการศึกษาสมบัติการซึมผ่านของออกซิเจน และไอน้ำ สมบัติเชิงกล และความแข็งแรงของการลอกออกหลังจากการปิดผนึกด้วยความร้อน (peel strength test) ของฝาปิดกับถาดบรรจุภัณฑ์ โดยพบว่าการเบลนด์ PBS และ PBSA เป็นองค์ประกอบหลักเบลนด์กับ PBAT เป็นเฟสรองผ่านปฏิกิริยา condensation โดยเติม Joncryl® ADR 4468 (ECE) 0.1 phr. เพียงพอที่จะปรับปรุงความเข้ากันได้ แต่สมบัติการซึมผ่านของออกซิเจนและไอน้ำไม่ได้ถูกปรับปรุง สำหรับสมบัติเชิงกลหลังจากการเบลนด์พบว่า Young’s modulus มีค่าลดลง และค่า Elongation at break เพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับ PBS และ PBSA ที่เป็นองค์ประกอบหลัก และ peel strength test หลังจากการเบลนด์พบว่ามีช่วง easy-open peel ที่กว้างขึ้น สำหรับการเบลนด์ PBS และ PBSA เป็นองค์ประกอบหลักเบลนด์กับ PHBV เป็นเฟสรองผ่านปฏิกิริยาทั้ง 3 ระบบคือ ปฏิกิริยา free radical (Perkadox® 14S หรือ DB 0.02 phr.), ปฏิกิริยา condensation (ECE 0.1 phr.) และปฏิกิริยารวมกันของ free radical และ condensation (DB 0.02 + ECE 0.1 phr.) พบว่าค่า OTR และ WVTR มีแนวโน้มลดลงเมื่อเทียบกับฟิล์มพอลิเมอร์ PBS และ PBSA ที่เป็นพอลิเมอร์องค์ประกอบหลัก เป็นผลจากการปรับปรุง interfacial adhesion ระหว่างผิวสองเฟส และสมบัติเชิงกลหลังจากการเบลนด์กับ PHBV เปลี่ยนแปลงตามสมบัติเชิงกลของ PHBV โดยพบว่า Young’s modulus มีค่าเพิ่มขึ้นและค่า Elongation at break ลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับ PBS และ PBSA ที่เป็นพอลิเมอร์องค์ประกอบหลัก สำหรับ peel strength test ช่วง easy-open peel เลื่อนไปในที่อุณหภูมิในการปิดผนึกสูงขึ้น และทั้ง PBS และ PBSA เป็นองค์ประกอบหลักเบลนด์กับ PHBV มีพฤติกรรมการลอกออกในช่วง easy-open peel เป็นแบบ adhesive peel และ cohesive peel ซึ่งสามารถลอกออกได้ง่าย และเมื่อมีการเปลี่ยนชนิดของ peroxide จาก DB เป็น Dicumyl peroxide (DCP) ในปริมาณที่เท่ากันพบว่าการซึมผ่านของออกซิเจนและไอน้ำไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่ปริมาณการเติม peroxide ที่มากเกินไปจะเกิดการเชื่อมขวางในสายโซ่พอลิเมอร์ ซึ่งส่งผลทำให้สมบัติเชิงกลแย่ลง การปิดผนึกด้วยความร้อนให้ติดกับถาดได้ยากขึ้น ส่งผลให้ช่วง easy-open peel เลื่อนไปในทางที่อุณหภูมิการการปิดผนึกสูงมากขึ้น และในการศึกษาในระดับกึ่งอุตสาหกรรม พบว่าค่าการซึมผ่านของออกซิเจน และไอน้ำ สมบัติเชิงกล และ peel strength test ให้ผลเป็นแนวโน้มเช่นเดียวกันกับการทดลองในระดับ lab scale และการลอกออกในช่วง easy-open peel หลังจากที่เบลนด์กับ PBAT หรือ PHBV มีพฤติกรรมการลอกออกเป็นแบบ adhesive peel และ cohesive peel ซึ่งสามารถลอกออกได้ง่าย สำหรับการเบลนด์ PBS และ PBSA เป็นองค์ประกอบหลักเบลนด์กับ PBAT ที่เป็นเฟสรองในสัดส่วนร้อยละ 20 สามารถปรับปรุงสมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์เบลนด์ และมีช่วง easy-open peel การลอกออกหลังจากการปิดผนึกด้วยความร้อนกว้างขึ้น แต่ไม่ได้ปรับปรุงสมบัติการซึมผ่านของก๊าซออกซิเจนและไอน้ำ การเบลนด์กับ PHBV ที่เป็นเฟสรองในสัดส่วนร้อยละ 20 สามารถปรับปรุงสมบัติการซึมผ่านของก๊าซออกซิเจนและ ไอน้ำได้ แต่สมบัติเชิงกลเปลี่ยนแปลงตามสมบัติเชิงกลของ PHBV