TWI682882B - 生物可分解的組成物 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種生物可分解的組成物，包含： 5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)； 5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；以及5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)、或聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)、或聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)。據此，本發明所製成的物品不僅生物可分解，且能夠提升熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度，同時藉由各成分之間的配比限定，可以提升各成分之間的相容性，同時促進聚乳酸的結晶。

Description

生物可分解的組成物
本發明係與組成物有關，特別是指一種生物可分解的組成物。
由於環保意識高漲與石化產品原料來源短缺，目前開發出生物可分解的組成物所作成的塑膠製品，例如玩具、餐具，以逐漸取代傳統塑膠。一般常見的生物可分解的組成物係聚乳酸(Polylactic Acid，縮寫PLA）。當生物可分解塑膠棄置於自然環境中時，所含的聚乳酸會被環境中之微生物代謝分解。若生物可分解塑膠直接焚化後，僅會產生水和二氧化碳，因此不會對環境造成衝擊。
然而，目前生物可分解塑膠製品仍有技術上之瓶頸，而無法完全取代習知的石化產品所製備的塑膠製品。例如當生物可分解的組成物製作成環保餐具時，由於其耐熱度有限，一旦超過60℃就會開始變軟、變形，為了讓PLA餐具更耐用，不少做法是混合傳統塑膠，如此一來就不是100%可分解了；此外，一旦加入塑化劑等助劑來提升PLA餐具的耐熱性，遇到熱的情況還是會有塑化劑釋出的風險存在。此外，生物可分解的組成物所作成的塑膠製品，其耐衝擊性明顯不佳，以致不耐長途運輸、久存，而無法提供物品足夠的保護。
是以，如何開發出一種生物可分解的組成物其可解決上述的缺陷即為本發明所欲解決的動機。
因此，本發明之目的在於提供一種生物可分解的組成物，其所製成的物品不僅生物可分解，且能夠提升熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度。
本發明另一目的在於提供一種生物可分解的組成物，其主要提升各成分之間的相容性，同時促進聚乳酸的結晶。
於是，為了達成前述目的，依據本發明所提供一種生物可分解的組成物，包含：5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；以及5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate))，一般縮寫為PBS)接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)。
較佳地，該生物可分解的組成物的較佳比例為：30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸； 20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；以及15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐。
據此，本發明藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)所形成的介面相容結構，使三者間界面形成良好的有機/無機界面之化學橋梁，將可以有效提高複材整體性質，以解決長久以來聚乳酸(PLA)與植物纖維之間存在的相容性、加工性及劣化等問題，同時提升熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度。特別是藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)所形成的介面相容結構、增韌結構及熱安定化機制，對提升拉伸強度為最佳。
同樣為了達成前述目的，本發明另外所提供一種生物可分解的組成物，包含：5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)。
較佳地，該生物可分解的組成物的較佳比例為：30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸；20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸。
據此，本發明藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)所形成的介面相容結構，使三者間界面形成良好的有機/無機界面之化學橋梁，將可以有效提高複材整體性質，以解決長久以來聚乳酸(PLA)與植物纖維之間存在的相容性、加工性及劣化等問題。特別是藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)所形成的介面相容結構、增韌結構及熱安定化機制，對提升耐衝擊強度為最佳。
同樣為了達成前述目的，本發明再提供一種生物可分解的組成物，包含：5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)。
較佳地，該生物可分解的組成物的較佳比例為：30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸；20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑。
據此，本發明藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)所形成的介面相容結構，使三者間界面形成良好的有機/無機界面之化學橋梁，將可以有效提高複材整體性質，以解決長久以來聚乳酸(PLA)與植物纖維之間存在的相容性、加工性及劣化等問題，同時提升熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度。特別是藉由聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)所形成的介面相容結構、增韌結構及熱安定化機制，對提升熱變形溫度為最佳。
較佳地，其中該植物纖維為甘蔗纖維、竹子纖維、椰子纖維、麻纖維、棕梠殼纖維、咖啡渣、酒粕、麥粕、棉、稻桿、稻殼、玉米桿、澱粉、筊白筍或木粉至少其中一種。
有關本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他之功效，茲舉九較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本發明第一實施例所提供一種生物可分解的組成物，適用於製成一餐具，當然亦可製成為一玩具，但不以此為限。該組成物由聚乳酸(PLA)、植物纖維、以及相容劑所組成，其中：
該植物纖維本實施例係舉甘蔗纖維為例，但不以此為限，可為下述群組中至少其中一種者，該植物纖維為竹子纖維、椰子纖維、麻纖維、棕梠殼纖維、咖啡渣、酒粕、麥粕、棉、稻桿、玉米桿、澱粉、筊白筍或木粉。
參閱圖1所示，該相容劑本實施例係舉聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA) 為例，但不以此為限，亦可為聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)或聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)。
而本實施立中該組成物的主要製法為，先將呈粒狀且50重量百分比的聚乳酸(PLA)與呈粒狀且15重量百分比的舉聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA))至雙螺桿押出機混煉均勻，隨後再將呈粉狀且35重量百分比的甘蔗纖維加入雙螺桿押出機一同混煉至均勻，以形成生物可分解組成物顆粒。
隨後，將生物可分解顆粒以90℃、至少1小時以上進行乾燥步驟，使生物可分解顆粒之平均含水率係不大於5000ppm。緊接著將生物可分解顆粒以140℃至230℃之間的加工溫度，80℃至120℃之間的模具溫度進行射出成型步驟，以獲得為該餐具的實體結構形狀。
據此，由於本發明所添加的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)，除了使該生物可分解的組成物所製成的餐具或玩具等製品能夠提升熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度之外，更可在50重量百分比的聚乳酸(PLA)、15重量百分比的甘蔗纖維、及35重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的配比下，而能夠提升各成分之間的相容性，同時促進聚乳酸的結晶。當然，在40重量百分比的聚乳酸(PLA)、30重量百分比的甘蔗纖維、及30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的配比下，更能夠提升各成分之間的相容性，同時更能促進聚乳酸的結晶。
其中本發明所製成的餐具能夠提升熱變形溫度的主因在於：當該50重量百分比的聚乳酸(PLA)與35重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)與15重量百分比的甘蔗纖維，有效提高了高分子的結晶度與甘蔗纖維提供的立體支撐結構，進而提升本發明所製成的餐具能夠耐溫60℃以上而又不會釋出有害物質。另外，在10重量百分比的聚乳酸(PLA)、65重量百分比的甘蔗纖維、及25重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的配比下，更能夠提高了高分子的結晶度與甘蔗纖維提供的立體支撐結構，進而提升本發明所製成的餐具能夠耐溫60℃以上而又不會釋出有害物質。
其中本發明所製成的餐具能夠提升耐衝擊強度的主因在於：當該50重量百分比的聚乳酸(PLA)與15重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)與35重量百分比的甘蔗纖維，明顯有效提升了三界面間良好的有機/無機界面之化學橋梁，有效提高複材整體性質，進而提升本發明所製成的餐具能夠提升耐衝擊能。另外，在20重量百分比的聚乳酸(PLA)、30重量百分比的甘蔗纖維、及50重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的配比下，更明顯有效提升了三界面間良好的有機/無機界面之化學橋梁，有效提高複材整體性質，進而提升本發明所製成的餐具能夠提升耐衝擊能。
其中本發明所製成的餐具能夠提升拉伸強度的主因在於：當該50重量百分比的聚乳酸(PLA)與15重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)與35重量百分比的甘蔗纖維，明顯有效提升了三界面間良好的有機/無機界面之化學橋梁，有效提高複材整體性質且大幅提高了PLA結晶度，進而提升本發明所製成的餐具能夠有效提升拉伸強度。另外，在55重量百分比的聚乳酸(PLA)、30重量百分比的甘蔗纖維、及15重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的配比下，更明顯有效提升了三界面間良好的有機/無機界面之化學橋梁，有效提高複材整體性質且大幅提高了PLA結晶度，進而提升本發明所製成的餐具能夠有效提升拉伸強度。
其中本發明的組成物能夠提升各成分之間相容性，同時促進聚乳酸結晶的主因在於：當該50重量百分比的聚乳酸(PLA)與15重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)與35重量百分比的甘蔗纖維的配比時，或者在該40重量百分比的聚乳酸(PLA)與30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)與30重量百分比的甘蔗纖維的更佳配比下，三者間界面形成良好的有機/無機界面之化學橋梁，促使纖維均勻分布在基材之間並產生鍵結，產生共聚共混的情況，使分子鏈排列的更緊密，分子鏈間吸引力大增顯著提高結晶度，且複方有機成核劑與高分子成核劑降低了分子鏈表面的自由能，使其在降溫過程在較高的溫度即可開始結晶，加強了結晶能力，促進PLA再結晶程度變的更高，進而提升本發明組成物各成分之間相容性，同時促進聚乳酸的結晶。
值得一提的是，添加植物纖維至本發明的組成物中，是為了增加該聚乳酸基材的強度，添加較少量的植物纖維對熱變形溫度、耐衝擊強度、拉伸強度等效果可能不佳，但植物纖維量多，可能造成纖維糾結聚集現象產生，使得機械性質強度會有所下降。此外，聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的相容劑的添加是為了促進該聚乳酸與植物纖維的相容性，進而讓組成物性質不下降或是有提升的效果，而添加的比例過少可能效果不明顯，若添加的太多成本相對提高且性質增幅可能已達最高值。據此，本發明的各成分及其配比在成本最低的限制下，可達到最合適的添加比例，除了可增加熱變形溫度、耐衝擊強度、拉伸強度等效果之外，更可以提升各成分之間的相容性，同時促進聚乳酸的結晶。
第二實施例至第四實施例同第一實施例的製作方法，不同處在於第二實施例至第四實施例中生物可分解的組成物的組成成分使用量不同，其成分使用量如下表一所示。
表一
    第一實施例 第二實施例 第三實施例 第四實施例
組成物成份 聚乳酸(PLA) 50% 10% 20% 55%
甘蔗纖維澱粉 35% 65% 30% 30%
舉聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA) 15% 25% 50% 15%
機械性質 熱變形溫度(℃)   135 124 106
  耐衝擊強度 (kgf-cm/cm)     5.8 14.2 9.5
  拉伸強度(Kg/cm2)   383 582 691
評估方式：第一實施例至第四實施例之生物可分解的組成物進行耐溫測試是依據美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials；ASTM)之D-648法來量測。簡言之，本測試方法依照ASTM  D648之規範，於66psi (0.455Mpa)壓力下測定高溫的彎曲彈性，一般而言，非結晶性樹脂的熱變形程度受玻璃轉移溫度影響，結晶性樹脂則受其熔點左右。
第一實施例至第四實施之生物可分解的組成物進行耐衝擊測試是依據美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials；ASTM)之D-256法來量測。簡言之，耐衝擊強度測試係將具有切口的試片單邊固定於鐘擺式衝擊測試儀。接著，利用懸臂樑的方式，讓擺錘落下撞擊試片之切口。然後，計算鐘擺式衝擊測試儀所消耗的能量。
第一實施例至第四實施之生物可分解的組成物進行拉伸強度測試是依據美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials；ASTM)之D-638法來量測。簡言之，拉伸強度試驗依據ASTM D638 測試規範，作拉伸測試，試片長127mm/寬25mm/厚3.2mm的啞鈴型試片採用Instron Tester，在溫室下拉伸速度為50mm/min。
實際應變定義如圖2所示：
ε=ΔL/L0；其中L0：於原點(t=0)所標定的距離長度；L ：於任何時間時，所標定的距離長度。第四實施例、第五實施例及第六實施例同第一實施例的製作方法，且熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度的評估方式同於第一實施例，故不再贅述，不同處在於第四至六實施例中生物可分解的組成物的組成不同、成分使用量也不同，其成分使用量如下表二所示。其中參閱圖3所示，該相容劑本實施例係舉聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)為例。
表二
    第五實施例 第六實施例 第七實施例
組成物成份 聚乳酸(PLA) 10% 20% 55%
甘蔗纖維澱粉 65% 30% 30%
聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA) 25% 50% 15%
機械性質 熱變形溫度(℃) 133 116 103
  耐衝擊強度 (kgf-cm/cm) 6.1 14.7 10.2
  拉伸強度(TS) 366 562 626
第八實施例、第九實施例及第十實施例同第一實施例的製作方法，且熱變形溫度、耐衝擊強度、及拉伸強度的評估方式同於第一實施例，故不再贅述，不同處在於第八至十實施例中生物可分解的組成物的組成不同、成分使用量也不同，其成分使用量如下表三所示。其中參閱圖4所示，該相容劑本實施例係舉聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)為例。
表三
    第八實施例 第九實施例 第十實施例
組成物成份 聚乳酸(PLA) 10% 20% 55%
甘蔗纖維澱粉 65% 30% 30%
聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane) 25% 50% 15%
機械性質 熱變形溫度(℃) 139 128 109
  耐衝擊強度 (kgf-cm/cm) 5.8 14.4 9.7
  拉伸強度(TS) 355 548 604
綜上所述，上述各實施例及圖式僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利涵蓋的範圍內。
無
圖1是本發明第一實施例聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)的製備。 圖2是本發明第一實施例應變定義示意圖。 圖3是本發明第五實施例聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)的製備。 圖4是本發明第八實施例聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)的製備。

Claims (9)

  1. 一種生物可分解的組成物，包含：   5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；   5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；以及 5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐(PBS-g-MA)。
  2. 如請求項1所述之生物可分解的組成物，其中30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸；20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；以及15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝馬來酸酐。
  3. 如請求項1所述之生物可分解的組成物，其中該植物纖維為甘蔗纖維、竹子纖維、椰子纖維、麻纖維、棕梠殼纖維、咖啡渣、酒粕、麥粕、棉、稻桿、稻殼、玉米桿、澱粉、筊白筍或木粉至少其中一種。
  4. 一種生物可分解的組成物，包含：   5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；   5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；以及 5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸(PBS-g-AA)。
  5. 如請求項4所述之生物可分解的組成物，其中30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸；20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝壓克力酸。
  6. 如請求項4所述之生物可分解的組成物，其中該植物纖維為甘蔗纖維、竹子纖維、椰子纖維、麻纖維、棕梠殼纖維、咖啡渣、酒粕、麥粕、棉、稻桿、稻殼、玉米桿、澱粉、筊白筍或木粉至少其中一種。
  7. 一種生物可分解的組成物，包含：   5重量百分比至90重量百分比的聚乳酸(PLA)；   5重量百分比至80重量百分比的植物纖維；以及 5重量百分比至70重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑(PBS-g-Silane)。
  8. 如請求項7所述之生物可分解的組成物，其中30重量百分比至50重量百分比的聚乳酸；20重量百分比至40重量百分比的植物纖維；15重量百分比至30重量百分比的聚丁二酸丁二醇酯接枝矽烷偶合劑。
  9. 如請求項7所述之生物可分解的組成物，其中該植物纖維為甘蔗纖維、竹子纖維、椰子纖維、麻纖維、棕梠殼纖維、咖啡渣、酒粕、麥粕、棉、稻桿、稻殼、玉米桿、澱粉、筊白筍或木粉至少其中一種。
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