Prof. Dr. Shi-Qing Wang ศาสตราจารย์แห่ง School of Polymer Science and Polymer Engineering, University of Akron และทีมวิจัย ได้พัฒนาถ้วย PLA ต้นแบบ ที่มีความใส เหนียว และไม่หดตัว เมื่อใช้งานโดยการเติมน้ำร้อน

งานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาพลาสติกชีวภาพขั้นสุดท้ายเพื่อเพิ่มศักยภาพที่มุ่งเน้นถึงความยั่งยืนของพลาสติกสำหรับอนาคต ในห้องปฏิบัติการของ Prof. Dr. Shi-Qing Wang ทีมวิจัยได้ให้ความสำคัญและแสดงให้เห็นถึงวิธีการเปลี่ยนพอลิเมอร์ที่มีสมบัติแบบเปราะ (Brittle polymer) ให้มีความเหนียว (Tough) และมีความยืดหยุ่น (Flexible) และได้ยกตัวอย่างชิ้นงาน ได้แก่ ถ้วย Poly(lactic acid) หรือ PLA ที่เป็นภาชนะที่มีความใส มีความเหนียวสูง และไม่มีการหดตัวเมื่อถูกนำไปเติมน้ำร้อน

พลาสติกกลายเป็นส่วนสำคัญในชีวิตประจำวันของเรา ถึงแม้ว่าส่วนใหญ่จะไม่สามารถนำกลับมารีไซเคิลเพื่อใช้ใหม่ได้ทำให้เกิดการสะสมเนื่องจากการฝังกลม ทางเลือกหนึ่งที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพหรือถูกย่อยสลายได้ คือ การใช้ PLA แต่โดยทั่วไปแล้ว PLA ไม่แข็งแรงพอที่จะแทนที่พอลิเมอร์ที่ผลิตจากเชื้อเพลิงในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เช่น Poly(ethylene terephthalate) หรือ PET เนื่องจากวัสดุประเภทนี้มีความเปราะ

Dr. Ramani Narayan นักวิทยาศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญด้านพลาสติกชีวภาพ และศาสตราจารย์ผู้มีชื่อเสียงแห่ง Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University กล่าวว่า งานวิจัยของ Prof. Dr. Shi-Qing Wang มีศักยภาพสูงที่จะก้าวไปสู่ความก้าวหน้าในตลาด PLA

PLA เป็นพอลิเมอร์อันดับ 1 ของโลกที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและย่อยสลายได้ 100% เพียงแต่ว่ามันมีความเหนียวและอุณหภูมิในการเสียรูป (Heat distortion temperature) ต่ำ โดยโครงสร้างของ PLA สามารถอ่อนตัวลงและเสียรูปที่อุณหภูมิ 140 องศาฟาเรนไฮต์ โดยประมาณ ทำให้ไม่สามารถใช้ในการบรรจุอาหารร้อนหรือเป็นภาชนะที่ใช้แล้วทิ้งได้ ดังนั้น งานวิจัยของ Prof. Dr. Shi-Qing Wang จึงอาจเป็นเทคโนโลยีที่เข้ามาสร้างตลาดและมูลค่าให้กับผลิตภัณฑ์ ประเภท PLA ได้ Dr. Narayan กล่าว

Prof. Dr. Shi-Qing Wang ได้สอนควบคู่ไปกับการทำงานวิจัยที่ University of Akron เป็นระยะเวลากว่า 20 ปี โดยได้พยายามสร้างองค์ความรู้และความสัมพันธ์ระหว่าง กระบวนการขึ้นรูป-โครงสร้าง-สมบัติ ของพลาสติกชนิดต่าง ๆ เพื่อประยุกต์ใช้แบะจัดการกับความเปราะของ PLA

เพื่อที่จะอธิบายว่า ถ้วย PLA ต้นแบบมีความเหนียวและทนต่อความร้อนได้อย่างไรนั้น Prof. Wang จึงได้เปรียบเทียบกับสปาเก็ตตี้ปรุงสุก ดังนี้ว่า ถ้า PLA ที่หลอมถูกขยายเป็นล้าน ๆ เท่า แต่ละสายโซ่โมเลกุลมีลักษณะเหมือนเส้นสปาเก็ตตี้ที่มีความยาวหลายเมตร และเพื่อที่จะให้เทอร์โมพลาสติก (รวมทั้ง PLA) มีความเหนียว สิ่งสำคัญนั่นคือ การตกผลึกของสายโซ่โมเลกุลจะต้องไม่กำจัดหรือขัดขวางการเกี่ยวพันกันของเส้นสปาเก็ตตี้ (Spaghetti strands) Prof. Wang เรียกโครงสร้างในลักษณะนี้ว่า โครงข่ายสายโซ่ (Chain network) ซึ่งโครงสร้างลักษณะนี้เป็นโครงสร้างที่ใคร ๆ ก็สามารถหยิบเส้นสปาเก็ตตี้ออกมาจากชามได้ทั้งหมดโดยการใช้ตะเกียบ โครงข่ายสายโซ่ของ PLA นี้ เมื่อได้รับการปรับแต่งโครงสร้างอย่างเหมาะสมแล้วสามารถช่วยให้มั่งใจได้ว่า PLA ที่ถูกนำไปเป็นถ้วยเครื่องดื่ม PLA นั้นจะมีความแข็งแรงเชิงกลสูงโดยปราศจากการเกิดผลึก แต่ถึงกระนั้นหากถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ถ้วยดังกล่าวก็จะเกิดการเสียรูปลงเมื่อเทน้ำเดือดลงไป และหากถ้วยนั้นทำจาก PLA ที่มีความเป็นผลึก แม้จะสามารถกักเก็บน้ำเดือดได้ แต่ก็จะมีความเปราะและขุ่นมาก

จากการตรวจสอบหาต้นกำเนิดของความเหนียว (Ductility) ใน Semi-crystalline polymers Prof. Wang ได้ค้นพบวิธีจำกัดผลึกของ PLA ให้อยู่ในลักษณะของ nano-scale ระหว่างการเกิดโครงข่ายสายโซ่ของ PLA ส่งผลให้ ถ้วย PLA ที่ได้มีความใส แข็ง และทนความร้อนได้ โดยสามารถนำไปประยุกต์ใช้บรรจุชาร้อนและกาแฟแทนที่ถ้วยเครื่องดื่มพลาสติกที่มีอยู่ในตลาดได้ ผลกระทบจากงานวิจัยนี้สามารถช่วยกระตุ้นตลาด PLA ให้เติบโตอย่างทวีคูณได้ในที่สุด Prof. Wang กล่าว

ที่มา:
– Masoud Razavi et al. Why Is Crystalline Poly(lactic acid) Brittle at Room Temperature ?, Macromolecules (2019). DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00595
– https://phys.org/news/2020-12-polymer-latest-results-cup-liquids.html