TWI616484B - 包含聚左旋乳酸以及聚右旋乳酸之組合物 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物。本發明也關於一種包含加熱模型之步驟,並供應該模型包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物之用以生產塑模部件方法。本發明係有關於一種用於注塑成型、熱成型及/或吹塑薄膜上之包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物。本發明也關於一種可經由加熱包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物而取得之組合物。
Description
本發明之實施例方面,係有關於一種包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物。本發明也關於一種用以生產塑模部件之過程,該過程包含下列步驟:加熱一模型;以及提供一包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組成物至模型。本發明係有關於一種用於注塑成型、熱成型及/或吹塑薄膜上之包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物之組合物。本發明也關於一種經由加熱包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物以取得之組合物。
聚乳酸(Polylactic acid,PLA)係為以乳酸單體為基礎之聚合物的總稱,聚乳酸之結構視其成分,自完全非晶性由半結晶變化成結晶。聚乳酸可從奶製品或如玉米中所產得。乳酸為組成聚乳酸之單體,且此單體中存在兩種立體異構物,例如L-乳酸(左旋乳酸)及D-乳酸(右旋乳酸)。所以聚乳酸包含有一定比例之L-乳酸單體及一定比例之D-乳酸單體。聚乳酸中之L及D乳酸單體間之比例係取決於其性質。
PLA於例如吹膜、熱成型及注塑成型之應用上之使用,因為越來越傾向於可再生資源的考量而增加。然而,使用PLA於這類
應用中包含很大的缺點,即於升高溫度時PLA性質的退化。舉例而言,PLA具有退化的熱穩定性。在溫度高於其玻璃轉化溫度(55℃)時,PLA失去其剛性。這表示其本身於超出玻璃轉化溫度時之低彈性係數,於是在產品可於注塑成型或熱成型之情況噴射前,需要長的冷卻時間。從而,於基於PLA之產品之生產中具長的週期時間,且導致於升高溫度下,最終產品容易變形。
高於其熔點時PLA也具有退化的融體強度(melt strength),舉例而言,其於吹膜之情況下,導致不穩定的吹煉過程。基於PLA之產品於高於PLA之玻璃轉化溫度時具有相當低的熱變形溫度。
經常用以解決上述問題之方法,係控制PLA之結晶作用,因為結晶性PLA之彈性係數係高於非晶性PLA。依據增加之結晶度,基於PLA之產品的熱變形溫度還增加高於玻璃轉化溫度。當滿足某些條件時,產生PLA之結晶作用。首先,PLA之化學組合物需不阻礙結晶作用。其次,PLA必須充分地加熱至結晶作用。在實行中,這意味著於升高溫度下有足夠地長時間停留。缺點係為即使滿足這些條件時,PLA之結晶作用往往進行的非常緩慢,所以非適用於商業規模上。
因此,本發明之一目的係提供不包含上述缺點之一種包含聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)以及聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)之組合物。
本發明之一目的,係提供一種包含聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)以及聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,
PLLA)之具有改善熱穩定性及具有更高結晶率之組合物。
本發明之另一目的,係提供一種解決包含於使用PLA之上述缺點之方案,以確保PLA可以使用於商業規模之例如薄膜吹塑、熱成型或注射成型之應用上,
上述目的係由一種包含聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)以及聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)之組成物所達成,至少PDLA或PLLA之光學純度為至少95%。術語“聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)聚合物”也理解為具有不同分子量之PDLA分子的混合物。術語“聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)聚合物”也理解為具有不同分子量之PLLA分子的混合物。
本發明人發現,如果PDLA之光學純度係為至少95%,獲得基於PLLA之組成物[且]相對於根據習知技術之組合物,結晶作用時間相對地縮短。本發明人發現,添加特殊之成核劑可提高PLA的結晶速率,以使得可實現很短的冷卻時間。從文獻中已經知道少量的滑石粉能有效的影響PLA之結晶速率,但本發明人發現,立構複合物PLA為一種更好的成核劑。當混合PLLA及PDLA時,形成立構複合物PLA。PLLA及PDLA分子係為特殊的三維排序,因而產生非常穩定之晶體。例如從較高的熔點(230℃,而不是PLLA及PDLA之180℃)而言,這是顯而易見的。加入少量的PDLA至PLLA中,將因而產生少量之立體複合物PLA,其可作為用於PLA模型之其餘部分的成核劑。發明人發現具有至少95%光學純度之PDLA為特別好的成核劑。
如上文所述,PLA係以乳酸或丙交酯(lactide)為基礎之聚合物的集合名詞。乳酸以性質僅在偏振光被偏轉之方向上不同
之兩種不同形式存在。丙交酯之乳酸二聚體係以三種形態產生。L-丙交酯可以L-乳酸為基礎而產生,而D-丙交酯可以D-乳酸為基礎而產生。L-乳酸及D-乳酸之結合產生內消旋-丙交酯(meso-lactide),其係具有低於L-丙交酯及D-丙交酯之熔點。L-丙交酯及D-丙交酯也稱為右旋及左旋丙交酯。經由Synbra Technology bv(埃滕-勒爾)所生產之Synterra®,僅包含L-丙交酯及D-丙交酯。L-丙交酯及D-丙交酯間之比率係稱為光學純度,且其主要決定PLA之性質。依據此光學純度,PLA可為非晶性或半結晶性。越大之光學純度,越容易使PLA結晶。光學純度也透過D-含量來表示,其意味係於PLA中之D-丙交酯的百分比。目前市售之PLA具有介於0~25%之D-含量。當PLA包含超過約12%之D-丙交酯時,其可不再結晶且係為非晶性。當D-含量低於約12%時,PLA係視為半結晶性。僅由L-丙交酯及D-丙交酯所組成之PLA係分別稱為右旋PLLA或左旋PDLA。光學上純的之PLA將更容易結晶。
D-含量可以所謂的R-乳酸檢測來測定,其中L-及D-乳酸之比率係於PLA全水解後,以凝膠滲透色譜(Gel Permeation Chromatography,GPC)來測定。另一種方法係測定偏振光之旋光性,其可於氯仿中利用JASCO DIP-140旋光儀於589nm之波長下進行測量。
經由熱微差掃描分析儀(Differential Scanning Calorimetry,DSC),可測量PLA之結晶度及結晶速率。在DSC之圖表中,非晶性PLA將僅顯示玻璃轉化溫度,大約55℃,而半結晶性PLA更將顯示一結晶及/或熔融峰。熔融峰之大小將取決於PLA之熱史,且係為已結晶化程度之測量。熔融峰之位置係取決於光學純度:若增加PLA之光學純度,此峰將往較高溫度移動,直
到PLLA或PLDA達到約180℃之最大值。
除了提供立體複合物PLA用於作為注塑成型或熱成型之一種非常有效的成核劑之外,本發明人發現立體複合物晶體對PLA之熔體強度也具有正面影響。這有利於在吹膜中表現更穩定的吹煉過程,且於混合中表現更高的壓力。
第1圖 係為繪示花盆間之結晶差異之圖表,其中A部分顯示於冷模型中得到花盆之結果分析圖,B部分顯示於熱模型中得到花盆之結果分析圖。
本發明之一實施例中,PDLA之光學純度係至少99.5%。本發明人發現於此光學純度中所取得之結晶速率有令人驚訝的好結果。
本發明之一實施例中,PDLA之含量係相對於總組成物之重量為至多10wt%,且較佳為至少1wt%。PDLA存在之較佳地含量係介於4wt%及7wt%間。本發明人發現,過多PDLA導致終端產品之機械性能較差的結果。包含上述含量之PDLA之組合物所取得之終端產品具有好的機械性能。
本發明之一實施例中,PLLA存在之含量相對於組成物之總重量係介於65wt%及85wt%之間。PLLA之光學純度係較佳地為至少95%,更佳地為至少99.5%。本發明人發現,在這樣
的光學純度下,結晶速率是非常好的,促成上述優點。
本發明人發現,於例如吹膜及熱成型之應用上,使用光學上純的PLA,對PLA之結晶速率可以產生正面的影響。此PLA於品牌Synterra ®PLLA及Synterra®PDLA係作為樣品出售。PLLA及PDLA係為99.5%光學純度。光學上純的PLA可結晶化快於低光學純度之PLA,於是可縮短於這些應用上之冷卻時間。
本發明之一實施例中,該組成物包含選自由生石灰、滑石粉、澱粉、改質澱粉、麵粉、鋸屑、亞麻、氧化鋁、氧化鎂、水合矽酸鋁、高嶺土、聚合物PHA、PHB、PBS、PBT及PBAT、樹脂(Ecoflex)或纖維素、或其混合物所組成之群組中之至少一填料。較佳地,以組成物之總重量為基準,至少一填料之含量係以至多為30wt%存在。特別佳的是,如白堊、澱粉、麵粉、高嶺土、樹脂(Ecoflex)或纖維素之填料。
本發明之一實施例中,在聚苯乙烯標準品之基準上,以凝膠滲透色譜(Gel Permeation Chromatography,GPC)測定分子量,PDLA聚合物或其混合物之平均分子量介於70kDa至300kDa,較佳地介於30kDa至150kDa。這意味著PLLA及PDLA之平均分子量係以具已知平均分子量之聚苯乙烯為基準而測量,因為形成立體複合物PLA之速率隨著所採用之PDLA的分子量而降低,得以控制在注射模制或熱成型之冷卻時間。本發明人發現,假如所採用之PDLA具有這樣的平均分子量,於組合物性質之方面係得到良好的結果。具有過低分子量之PDLA將導致終端產品之性能不佳的結果,這是不可取的。
本發明人還發現,太多具有過低平均分子量之PDLA
會產生終端產品之機械性能較差的結果,這意味著存在有最佳含量之具最佳平均分子量之PDLA。其被發現係位於上述關於PDLA之平均分子量及含量之參數之組合中。
本發明之一實施例中,此組成物包含至少一衝擊改質劑(impact modifier)或塑化劑(plasticiser),相對於組成物之總重量,較佳之含量為至多10wt%,較佳地為至多5wt%。
本發明人發現,可能利用如Biostrength 150(阿科瑪)之衝擊改質劑以改善基於PLLA/PLDA組合物之終端產品的機械性能。然而,過多衝擊改質劑將降低彈性係數,使之在注射成型或熱成型中更難以噴射出產品。當使用如己二酸二辛酯(dioctyl adipate,DOA)之塑化劑時,觀察到這樣的效果,其能用於取得PLLA/PLDA共混物之結晶速率外之額外控制。本發明人發現,在上述含量中,依據本發明之組合物之機械性能被改善。
本發明更關於一種用以生產塑模部件之方法,係包含下列步驟:加熱一模型;提供一包含一聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)聚合物以及一聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)聚合物之組成物至模型,至少PDLA或PLLA之光學純度係為至少95%;形成塑模部件;自模型中移除塑模部件。
本發明人發現,以此方法所取得之塑模部件(終端產品)相較於包含基於較低光學純度(少於95%光學純度)PDLA的組合物之塑模部件之具有較高之變形溫度。添加PDLA至基於PLLA之塑模部
件,且執行加熱模型(步驟i),快速結晶以得到更高的變形溫度。在溫度高於PLA之玻璃轉化溫度且低於100℃時,這些產品將不會或幾乎不會變形,其大大增加使用PLA之可能性。
本發明之一實施例中,於步驟i之模型係加熱至溫度90~140℃,較佳地至100~120℃。本發明人發現,在如注塑成型和熱成型之應用上,藉由利用熱模型,可以更增加PLA之結晶速率。因為PLA,特別是光學上純的PLA,於熱模型中之結晶速度更快,更快得到不變形即可被噴射之產品的彈性係數,其於例如週期時間之方面為有利的。
本發明之一實施例中,於步驟ii所提供之組成物係為於上述組合物之其中之一。
本發明之一實施例中,該方法係於一定時間內進行,其係稱為一週期時間,週期時間至多為150秒,較佳地至多為85秒,更佳地至多為65秒。週期時間係為形成產品所需之時間,其亦被描述為形成兩個連續產品間經過之時間。由於本發明所述之組合物具有短結晶時間,基於該組合物之塑模部件生產之週期時間短,其增加生產能力,且使得所使用之PLA共混物具有商業吸引力。
本發明係關於一種用於注塑成型、熱成型及/或吹塑薄膜上之包含聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)聚合物之組合物,至少PDLA或PLLA之光學純度係為至少95%。因為良好的機械性能及高結晶速率,可能利用PLA共混物在這些過程中。
本發明係關於一種經由加熱包含聚右旋乳酸(poly-D-lactic acid,PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,
PLLA)聚合物之組成物而取得之組合物,至少PDLA或PLLA之光學純度係為至少95%。對發明人而言,加熱後之組合物的確切結構為未知,但發明人發現,此組合物包含有超過依據習知技術之類似組合物之明顯優點。藉由加熱如上所述包含聚右旋乳酸(PDLA)聚合物以及聚左旋乳酸(PLLA)聚合物以取得之產品,若該組合物加熱至超出其玻璃轉化溫度時,其具有高變形溫度。
對應於上述實施例,較佳地加熱組成物。經由加熱此組成物至溫度90~140℃,較佳地100~120℃,較佳地取得組合物。
參照一些實施例,將進一步解釋本發明。這些實施例並不是要限制本發明。透過參照,揭露之申請專利範圍形成本說明書之一部分。
實施例
於實施例中係利用下列測量方法:依據ISO-75,測量HDT-B(HDT=熱變形溫度)。
依據ISO-527-1 2010,測量彈性係數、拉伸強度及斷裂延展性。
依據ISO-179測量缺口懸臂樑衝擊(notched Izod impact),及依據ISO-179 2000測量支樑衝擊(Charpy impact)。
使用Berstdorff ZE75A雙螺桿擠壓機(twin screw extruder)作為擠壓機。
實施例1(先前技術)
從文獻中已知,將成核劑加入至PLA中為一種造成
PLA快速結晶及在升高溫度下取得較高變形溫度之方法。在這個示例中,IngeoTM(Natureworks)混有兩種成核劑(ULTRATALC 609及LAK-301)以增加結晶速率。
表格1係繪示Natureworks所取得之組合物HHIM及3801X之結果。表格1所示之成分;成分之含量以相對於組合物之總重量之重量百分比(wt.%)表現。
正如預期的,在結晶化後,取得較高之結晶速率(HDT-B values),但結晶速率仍然太低,導致較長週期時間(長於150秒)。正因如此,這些用以注塑成型或熱成型之製劑尚未適用於商業用途。
實施例2
實施例2顯示具有光學純度99.5%之PLDA可被用於作為PLA之成核劑。如先前示例,在結晶化後,取得較高HDT-B值。此外,當存在有光學純度至少99.5%之PDLA時,觀察到增加之拉伸強度。特別在示例3-6之情況下,相對於實施例1之組合物,觀察到明顯增加之拉伸強度及斷裂延展性。
表格2:IngeoTM 6201D & PDLA(比較例)
實施例3
下列示例明示,PLDA也可增加PLAA之結晶速率。由於PLAA為光學上純的,結合PDLA的結晶速率遠高於先前之示例。結晶後,將得到更好的HDT-B值。而且再次觀察到了更好的機械性能。
實施例4
下列示例明示,根據本發明,利用PLLA及PDLA之混合物可減少注塑成型所用之週期時間。當使用額外的滑石及塑化劑時,取得很短的週期時間。PDLA之分子量大大決定了結晶速率及週期時間。發現藉降低PDLA之分子量能夠減少週期時間。Synterra® PLLA 1098及Synterra® PDLA 1098具有低於95%之光學純度。基於製劑3、4及5,其可完全自動地進行注塑成型過程,對這些組合物而言,係具有令人驚訝之短週期時間。
實施例5
使用類似前面示例中之製劑,透過熱成型製得一花盆。值得注意的是,添加PDLA至PLLA之後,在片材之生產過程中,增加押出機中之壓力。這是一個改進熔體強度之跡象。其提供適合使用包含65重量份之Synterra®PLLA 2010、5重量份之Synterra®PDLA 1510以及30重量份之堊(chalk)所組成之製劑之熱成型製造片材之可能。同時係使用冷及熱(110℃)之模型進行熱成型。
透過熱微差掃描分析儀(DSC),可測量PLA結晶度及結晶速率。在DSC圖表中,非晶性PLA將僅顯示玻璃轉化點,約55℃,而半結晶性PLA也將顯示出結晶及/或熔融峰。熔融峰之大小(△X)為結晶發生程度之度量。熔融峰之位置係由光學純度所決定:若增加PLA之光學純度,此峰係朝向較高的溫度移動,直到PLLA或PDLA達到約180℃之最大值。
第1圖中之圖表係繪示花盆間之結晶差異。第1圖中之A部分顯示於冷模型中得到花盆之結果,而第1圖中之B部分顯示以熱模型所得到的那些結果。顯而易見的是,儘管短週期時間,實現了高的結晶度。也很明顯的是,當模型被加熱時,效果更大。此些花盆隨後置於沸水中,在此期間中,熱模型所生產之花盆並未變形。
Claims (12)
- 一種組合物,其係加熱包含聚右旋乳酸(poly(D-lactic acid),PDLA)以及聚左旋乳酸(poly(L-lactic acid),PLLA)之組成物而取得,其中PDLA及PLLA中的至少之一之光學純度係為至少95%,該組成物係加熱至溫度90至140℃,PDLA存在之含量相對於該組成物之總重量係介於4wt%至7wt%之間,PDLA之平均分子量係為30kDa至150kDa。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中PLLA存在之含量相對於該組成物之總重量係介於65wt%至85wt%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中該組成物還包含選自由生石灰、滑石粉、澱粉、改質澱粉、麵粉、鋸屑、亞麻、三氧化二鋁、氧化鎂、水合矽酸鋁、高嶺土、聚合物PHA、PHB、PBS、PBT及PBAT、樹脂、纖維素、及其混合物所組成之群組中之至少一填料,該至少一填料存在之含量相對於該組成物之總重量係為至多30wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中分子量係使用聚苯乙烯標準品以凝膠滲透色譜(Gel Permeation Chromatography,GPC)之輔助測定。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中該組成物還包含至少一衝擊改質劑或一塑化劑,相對於該組成物之總重量,其含量為至多10wt%。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中PDLA之光學純度係為至少99.5%,且PLLA之光學純度為至少99.5%。
- 如申請專利範圍第1項所述之組合物,其中該組成物係加熱至溫度100至120℃。
- 一種用以生產一塑模部件之方法,其包含下列步驟:i.加熱一模型;ii.提供包含聚右旋乳酸(poly(D-lactic acid),PDLA)以及聚左旋乳酸(poly(L-lactic acid),PLLA)之一組成物至該模型,其中PDLA及PLLA中的至少之一之光學純度係為至少95%,PDLA存在之含量相對於該組成物之總重量係介於4wt%至7wt%之間,PDLA之平均分子量係為30kDa至150kDa;iii.形成該塑模部件;以及iv.自該模型中移除該塑模部件,其中該模型係加熱至溫度90至140℃。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中於步驟i中之該模型係加熱至溫度100至120℃。
- 如申請專利範圍第8或9項中所述之方法,其中於步驟ii中所提供之該組成物為如申請專利範圍第2項至第6項中之任一項所述之組成物。
- 如申請專利範圍第8項或第9項中所述之方法,其係於稱為一週期時間之一定時間內執行,該週期時間至多為150秒。
- 一種申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之組合物之用途,係用於注塑成型、熱成型及/或吹塑薄膜。
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