Development of water repellent film packaging based on Poly(butylene adipate-co-terephthalate) and Polyethylene

Abstract

The demand for packaging has increased dramatically due to the increased population, but most of these plastic food containers are single-use plastics and turned into a large amount of wastes because food contact plastic packaging is normally contaminated with food or organic residues. The contamination leaves the plastics waste management with a few choices such as landfill, incineration, and recycling which is important for the circular economy. However, the recycling process is difficult because of food residue on the surface. Therefore, the goal and motivation of the work were to modify the water-repellent property of LDPE and PBAT by adding various types of additives which is a simple and cost-saving method. The study was divided into two parts. The first part studied the effect of additives in an internal mixer quantity below 5 wt%, where the polymer and additives could be processed in the internal mixer. The mechanical properties of polymer compound film such as the tensile strength and modulus of LDPE and PBAT were slightly changed, whereas the elongation at break showed a greater reduction. This deterioration occurred when the specimen had defects caused by poor dispersion of the additives. The wettability study showed that for LDPE, the additive that can provide the highest contact angle was silicone, followed by carnauba wax. For PBAT, the increase in the contact angle was found when adding carnauba wax and shellac respectively. The morphological observations have confirmed the additive bloomed on the film surface. In the second part of the study, the effect of additive wettability in the blown film extrusion process was performed. It was found that carnauba wax with 3 wt% cannot be incorporated into both polymers because it cannot be compounded in a twin-screw extruder. Thus the amount of carnauba wax was reduced to 2 wt%. The melt flow testing was performed before the blown film extrusion. It was showed that the addition of additives increased the melt flow values, but this did not affect the blown-flim processing. For LDPE the addition of silicone was able to provide LDPE with the highest contact angle, while for PBAT, the addition of carnauba wax showed the highest contact angle. The mechanical properties showed a slight change for all compounds with low retention additives. In addition, the migration test found that this packaging can be used as food packaging because the residue does not exceed the standard.

ปัจจุบันจำนวนประชากรมีเพิ่มขึ้นซึ่งส่งผลให้มีการใช้งานบรรจุภัณฑ์พลาสติกที่ใช้สำหรับบรรจุอาหารเพิ่มขึ้นด้วย แต่บรรจุภัณฑ์พลาสติกที่นำมาบรรจุอาหารเหล่านี้ส่วนมากจะเป็นพลาสติกแบบใช้ครั้งเดียวทิ้งและกลายเป็นขยะจำนวนมาก เนื่องจากพลาสติกเหล่านี้จะมีคราบของอาหารติดอยู่ซึ่งการจัดการกับขยะพลาสติกเหล่านี้มีไม่มาก เช่น การฝังกลบ การเผา และที่สำคัญคือการรีไซเคิล ซึ่งเป็นวิธีที่สำคัญสำหรับเศรษฐกิจหมุนเวียน แต่กระบวนการรีไซเคิลนี้ทำได้ยากเพราะต้องมีกระบวนการทำความสะอาดเศษอาหารที่ติดอยู่กับบรรจุภัณฑ์ก่อนการนำมาหลอมและนำมาใช้ใหม่ ดังนั้นจึงเป็นที่มาของงานวิจัยนี้ที่จะทำการพัฒนาบรรจุภัณฑ์พลาสติกที่ลดการยึดติดของเศษอาหารโดยจะทำการปรับผิวของพอลิเมอร์โดยการเติมสารเติมแต่งลงไปในพอลิเมอร์ 2 ชนิดคือ LDPE และ PBAT ซึ่งการปรับผิวด้วยกระบวนการนี้เป็นวิธีที่ง่ายและไม่ต้องเพิ่มค่าใช้จ่ายมากในกระบวนผลิต โดยในงานวิจัยนี้ได้แบ่งการทดลองออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกศึกษาผลของสารเติมแต่ง 7 ชนิดที่มีผลต่อการเปียกผิวเบื้องต้นโดยการผสมในเครื่องผสมแบบปิด ปริมาณไม่เกิน 5 wt% พบว่าสามารถผสมเข้ากันได้และไม่มีปัญหาในกระบวนการผสมในเครื่อง internal mixer และมีการศึกษาสมบัติเชิงกลเบื้องต้นของฟิล์มพอลิเมอร์คอมพาวด์จากการทดสอบพบว่าค่า tensile strength และ modulus ของ LDPE และ PBAT มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ส่วนค่า elongation at break พบว่ามีการลดลงมากขึ้นเมื่อชิ้นงานมี defect บนฟิล์มที่เกิดจากการกระจายตัวไม่ดีของสารลดการเกาะผิว จากการศึกษาสมบัติการเปียกผิวพบว่าใน LDPE สารลดการเกาะผิวที่สามารถเพิ่มค่า contact angle ได้สูงที่สุดคือ silicone รองลงมาคือ carnauba wax ส่วนใน PBAT สารลดการเกาะผิวที่สามารถเพิ่มค่า contact angle ได้สูงที่สุดคือ carnauba wax รองลงมาคือ Shellac นอกจากนี้จากการทดสอบทางด้านสัณฐานวิทยาพบว่าสารเติมแต่งมีการขึ้นมาที่ผิวของฟิล์ม ส่วนที่สองได้มีการศึกษาผลของสารเติมแต่งที่มีผลต่อการเปียกผิว ในกระบวนการเป่าถุง พบว่าไม่สามารถผสมสารเติมแต่ง carnauba wax ได้ถึง 3 wt% ในพอลิเมอร์ทั้งสองชนิด เนื่องจากจะไม่สามารถผสมในเครื่อง extruder ได้จึงได้มีการลดปริมาณของ carnauba wax ลงมาไม่เกิน 2 wt% หลังจากนั้นได้มีการทดสอบสมบัติการไหลก่อนนำไปขึ้นรูปด้วยกระบวนการเป่าถุงพบว่าการเติมสารเติมแต่งทำให้การไหลเพิ่มมากขึ้นแต่ยังคงไม่ส่งผลต่อกระบวนการเป่าถุง สำหรับ LDPE การเติม Silicone สามารถทำให้ LDPE มีค่า contact angle สูงที่สุด ส่วนใน PBAT พบว่า carnauba wax ทำให้มีค่า contact angle สูงที่สุด สมบัติเชิงกลพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในทุกสูตรที่เติมสารลดการเกาะผิว และนอกจากนี้การทดสอบ migration test พบว่าบรรจุภัณฑ์นี้สามารถนำมาใช้เป็นบรรจุภัณฑ์บรรจุอาหารได้เนื่องจากสารที่ตกค้างไม่เกินที่มาตรฐานกำหนด