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バイオベースのポリブチレンサクシネート/微結晶セルロース/ナノフィブリル化セルロースベースの持続可能な高分子複合材料。熱力学的および生分解に関する研究
Bio-Based Poly(butylene succinate)/Microcrystalline Cellulose/Nanofibrillated Cellulose-Based Sustainable Polymer Composites: Thermo-Mechanical and Biodegradation Studies.
PMID: 32630121 DOI: 10.3390/polym12071472.
抄録
再生可能資源からの生分解性ポリマー複合材は、木材のような次世代の材料であり、持続可能性の目標を達成するために様々な産業の発展に欠かせないものです。パッケージング、医療、自動車、建築、持続可能な住宅などの機能的な用途は、その恩恵を大いに受けることができるでしょう。既存の産業の中には、木質プラスチック複合材のように、すでに特定の例を網羅しているものもありますが、持続不可能な化石由来のポリマーに支配されているものもあります。したがって、バイオベースのポリ（ブチレンサクシネート）マトリックス（ＰＢＳ）中の微結晶セルロース（ＭＣＣ）およびナノフィブリル化セルロース（ＮＦＣ）フィラーの組み合わせのための新しい観点からのアプローチをもたらす背景がある。MCC、NFCおよびMCC/NFCフィラーの合計装填量を40wt%としたことで、木材ライクな複合材用途のためのより多くの洞察を得ることができました。PBS組成物の生分解性特性および機械的特性を調整する能力は、拡張された用途に不可欠である。メルトブレンディングアプローチを用いて、MCCおよびNFCフィラーを用いて5つの組成物を調製した。引張試験モードでのヤング率と熱機械解析での20℃での貯蔵弾性率は約2倍に増加した。熱劣化温度は、MCC及びNFCと比較して約60℃上昇した。さらに、コンポーネントの適合性と複合材料のモルフォロジーを推定するために、破断面のSEM解析を実施した。接触角測定により、マトリックス間相が発達していることが実証された。示差走査熱量測定により、フィラー添加後のポリマーの経時結晶化が確認された。MCCはNFCフィラーよりも結晶化度に強い影響を与えることがわかった。PBSはコンポスト条件下で75日間で崩壊した。また、NFC/MCCを添加することで、60日までの分解率が向上した。
Biodegradable polymer composites from renewable resources are the next-generation of wood-like materials and are crucial for the development of various industries to meet sustainability goals. Functional applications like packaging, medicine, automotive, construction and sustainable housing are just some that would greatly benefit. Some of the existing industries, like wood plastic composites, already encompass given examples but are dominated by fossil-based polymers that are unsustainable. Thus, there is a background to bring a new perspective approach for the combination of microcrystalline cellulose (MCC) and nanofibrillated cellulose (NFC) fillers in bio-based poly (butylene succinate) matrix (PBS). MCC, NFC and MCC/NFC filler total loading at 40 wt % was used to obtain more insights for wood-like composite applications. The ability to tailor the biodegradable characteristics and the mechanical properties of PBS composites is indispensable for extended applications. Five compositions have been prepared with MCC and NFC fillers using melt blending approach. Young's modulus in tensile test mode and storage modulus at 20 °C in thermo-mechanical analysis have increased about two-fold. Thermal degradation temperature was increased by approximately 60 °C compared to MCC and NFC. Additionally, to estimate the compatibility of the components and morphology of the composite's SEM analysis was performed for fractured surfaces. The contact angle measurements testified the developed matrix interphase. Differential scanning calorimetry evidenced the trans-crystallization of the polymer after filler incorporation; the crystallization temperature shifted to the higher temperature region. The MCC has a stronger effect on the crystallinity degree than NFC filler. PBS disintegrated under composting conditions in a period of 75 days. The NFC/MCC addition facilitated the specimens' decomposition rate up to 60 days.