Condições de processamento ideais para a taxa máxima de cristalização de poli(3

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 497 (2023) Citar este artigo

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O efeito das histórias térmica e de cisalhamento na taxa de cristalização do poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato) (PHBHHx) foi estudado. Tal como acontece com outros polímeros cristalinos, a história de cisalhamento afetou muito a taxa de cristalização quando a taxa de cisalhamento estava além de um valor crítico, ou seja, o inverso do tempo de relaxação de Rouse. Mesmo após a formação de cristais de cadeia estendida, a textura esferulítica era claramente discernível. Cresceu a partir de certos pontos nos cristais de cadeia estendida. Consequentemente, uma fileira de esferulitos apareceu ao longo da direção do fluxo. A temperatura da resina no estado fundido também foi significativa. Quando a amostra foi aquecida a 170 °C, que está além do pico de fusão principal na curva de calorimetria de varredura diferencial, os cristais não fundidos não afetaram as propriedades viscoelásticas lineares. Eles atuaram como agentes nucleantes eficazes para o restante do polímero durante o resfriamento. Portanto, o histórico de cisalhamento pouco afetou a taxa de cristalização e o número de esferulitos.

O plástico é um material sintético notável porque é forte, durável e leve e, portanto, pode ser usado como um substituto mais eficiente para outros materiais. As propriedades de um plástico também podem ser personalizadas alterando o método de sua síntese e os aditivos incluídos, tornando-o útil em uma ampla gama de indústrias e em nosso dia a dia1,2. No entanto, se não forem geridos adequadamente, esses materiais maravilhosos inevitavelmente causarão uma crise de resíduos com consequências desastrosas para os seres vivos e o meio ambiente. A solução para este problema requer uma gestão adequada de resíduos e o desenvolvimento de plásticos inofensivos ao meio ambiente. Portanto, bioplásticos e materiais alternativos com melhor degradabilidade foram inventados3,4,5.

O poli(3-hidroxibutirato) (PHB) é um dos bioplásticos mais atraentes porque é produzido a partir de recursos renováveis ​​e é facilmente biodegradado em dióxido de carbono e água, mesmo no oceano6,7,8,9,10. No entanto, é propenso a degradação térmica severa através da decomposição do éster de anel de seis membros nas temperaturas necessárias para o processamento11,12. Embora a taxa de degradação e seu impacto na processabilidade tenham sido previstos quantitativamente, a baixa processabilidade do PHB não pode ser ignorada13,14. Portanto, um estudo intensivo sobre a incorporação de outra espécie de monômero que reduzisse o ponto de fusão do polímero foi realizado para permitir o processamento em baixa temperatura15,16. O poli(3-hidroxibutirato-co-3-hidroxihexanoato) (PHBHHx) é um desses copolímeros comercialmente bem-sucedidos. Até o momento, o PHBHHx tem sido utilizado em diversas aplicações, como sacolas de compras, talheres, canudos e embalagens de alimentos17,18. Para ampliar ainda mais a aplicabilidade do PHBHHx, é necessário aumentar sua taxa de cristalização para reduzir o tempo de ciclo e/ou aumentar a taxa de produção19,20,21,22,23. Portanto, considerando as operações de processamento reais, o comportamento de cristalização de um PHBHHx com várias histórias térmicas e de cisalhamento foi examinado neste estudo.

Até agora, houve uma série de estudos sobre o comportamento de cristalização do PHB e seus copolímeros. Segundo eles, o PHB geralmente forma ortorrômbica, que é chamada de forma α, sob métodos convencionais de resfriamento24, e seu ponto de fusão de equilíbrio \(T_{m}^{0}\) é em torno de 200 °C25. Considerando que a taxa de crescimento linear da cristalização se torna máxima entre \(T_{m}^{0}\) e a temperatura de transição vítrea Tg, que é em torno de 10 °C26, a temperatura adequada para aumentar a cristalização é em torno de 105 °C27 . Isso foi corroborado por resultados experimentais28. Em geral, sabe-se que o PHB e seus copolímeros formam esferulitos relativamente grandes, porque o processo de nucleação é bastante lento. Portanto, vários materiais têm sido utilizados para aumentar os núcleos, como talco, nitreto de boro, hidroxiapatita, nanotubo de carbono, óxido de térbio, uracila, timina, ácido orótico, ácido benzóico10, behenamida e seus derivados e dietil 4,5,10, 11-tetraoxo-3,6,9,12-tetraazatetradecano-1,14-dioato29. A cristalização induzida por fluxo também foi estudada. É bem conhecido que o alongamento da cadeia durante o fluxo é responsável pela formação de shish21,30,31,32,33,34. Portanto, uma fração de alto peso molecular que possui um longo tempo característico para o alongamento da cadeia, ou seja, o tempo de relaxação de Rouse, desempenha um papel importante no estágio inicial da cristalização induzida por fluxo, embora o PHB e seus copolímeros produzidos por micróbios geralmente tenham distribuição de peso molecular. Portanto, Fujita et al.35 adicionaram o PHB de alto peso molecular por mistura de solução para induzir a formação de shish e confirmaram que a formação da estrutura de shish-kebab foi aumentada. No entanto, em escala industrial, não é fácil adicionar uma pequena quantidade de uma fração de alto peso molecular de forma homogênea. A adição de um homopolímero a um copolímero também é frequentemente usada para aumentar a taxa de cristalização. No caso do PHBHHx, porém, a degradação térmica torna-se um grave problema quando se utiliza o homopolímero, ou seja, o PHB.