Influence of linseed oil and its derivative on moisture absorption and mechanical properties of thermoplastic starch

Abstract

Thermoplastic starch (TPS) is a bio-based and biodegradable polymer that has tendency to replace many petroleum-based polymers. However, one of the important weakness of TPS is moisture sensitivity. This research aims to study the effect of linseed oil (LO) and its derivatives on moisture absorption and mechanical properties of TPS. Because of the hydrophobicity of LO and its derivatives are expected to reduce the moisture sensitivity of TPS. The study was divided into two parts. In the first part, linseed oil (LO), mono-glyceride LO (MLO), epoxidized LO (ELO) or epoxidized MLO (EMLO) was added during TPS preparation at 1, 3, 5 and 7 wt.%. TPS incorporating with LO or its derivatives illustrated the lower moisture absorption than neat TPS. The higher additive content, the lower moisture absorption. The addition of ELO and EMLO at 1 wt.% in TPS led to increase in tensile strength (TS) and tensile modulus (TM). However, TS and TM of all sample decreased with increasing additives content due to the incorporation of additives and the interruption of glycerol-starch interaction which could be observed from the results of SEM, TGA and XRD. In the second part, the surface of TPS specimens was coated with LO, MLO, ELO or EMLO. The results showed that coated TPS had lower moisture absorption than uncoated TPS but there were no significant differences in mechanical properties. XRD analysis indicated that the retrogradation of TPS were reduced by coating with LO, MLO, ELO or EMLO. TPS coating with ELO was the best for reducing of moisture absorption and retrogradation. The diffused moisture within TPS after moisture absorption acted as another plasticizer.

แป้งเทอร์โมพลาสติก (TPS) เป็นพอลิเมอร์ที่ได้จากวัตถุดิบทางชีวภาพและสามารถถูกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ มีความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้แทนพอลิเมอร์ที่ได้จากวัตถุดิบทางปิโตรเลียมหลายชนิด แต่อย่างไรก็ตามข้อด้อยที่สำคัญประการหนึ่งของ TPS คือความว่องไวต่อความชื้น งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของน้ำมันลินสีด (LO) และอนุพันธ์ของน้ำมันลินสีดที่มีต่อการดูดความชื้นและสมบัติเชิงกลของ TPS เนื่องจากคาดว่าความไม่ชอบน้ำของ LO และอนุพันธ์ของ LO จะสามารถลดความว่องไวต่อความชื้นของ TPS ได้ โดยการศึกษาจะถูกแบ่งเป็นสองส่วน ในส่วนแรก LO, โมโนกลีเซอไรด์น้ำมันลินสีด (MLO), น้ำมันลินสีดอิพ็อกซิไดซ์ (ELO) หรือ โมโนกลีเซอไรด์น้ำมันลินสีดอิพ็อกซิไดซ์ (EMLO) จะถูกเติมลงไประหว่างการเตรียม TPS ที่อัตราส่วน 1, 3, 5 และ 7 % โดยน้ำหนัก จากการทดสอบพบว่า TPS ที่มี LO หรืออนุพันธ์ของ LO อยู่จะเกิดการดูดความชื้นน้อยกว่า TPS ที่ไม่เติมสารเติมแต่ง โดยการดูดความชื้นจะยิ่งน้อยลงเมื่อเติมสารเติมแต่งในปริมาณที่มากขึ้น การเติม ELO และ EMLO ที่ปริมาณ 1 % โดยน้ำหนัก จะทำให้ค่าแรงเค้นการดึงสูงสุด และค่ามอดูลัสการดึงเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามค่าแรงเค้นการดึงสูงสุดและค่ามอดูลัสการดึงของทุกตัวอย่างจะลดลงตามปริมาณการเติมสารเติมแต่ง เนื่องจากการรวมกลุ่มกันของสารเติมแต่งและการขัดขวางการเกิดอันตรกิริยาระหว่างแป้งกับกลีเซอรอล สังเกตได้จากผลการทดสอบ SEM TGA และ XRD ในส่วนที่สองศึกษาการเคลือบผิวชิ้นงาน TPS ด้วย LO, MLO, ELO และ EMLO จากผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า TPS ที่เคลือบผิวจะมีการดูดความชื้นต่ำกว่า TPS ที่ไม่เคลือบผิว แต่การเคลือบผิวไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของสมบัติเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญ โดยผลจากการทดสอบ XRD ชี้ให้เห็นว่าการคืนผลึก (retrogradation) ของ TPS จะลดลงเมื่อเคลือบผิวชิ้นงานด้วย LO, MLO, ELO และ EMLO โดยการเคลือบผิวด้วย ELO จะช่วยลดการดูดความชื้นและการคืนผลึกของ TPS ได้ดีที่สุด และภายหลังจากการดูดความชื้นของ TPS พบว่าความชื้นที่แพร่กระจายเข้าไปภายในชิ้นงานจะประพฤติตัวเป็นพลาสติไซเซอร์อีกชนิดหนึ่ง