พอลิแลกไทด์กับแนวทางการปรับปรุงสมบัติการใช้งาน

จาก ChulaPedia

      ในช่วงเวลาหลายทศวรรษที่ผ่านมา การเพิ่มจำนวนของประชากรโลกอย่างรวดเร็วนำไปสู่การเติบโตทางด้านอุตสาหกรรม การอุปโภคบริโภคและความต้องการใช้งานทรัพยากรธรรมชาติอย่างมหาศาล เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นวัสดุใหม่ๆที่มีประสิทธิภาพจึงถูกนำมาแทนที่วัสดุดั้งเดิมที่ใช้กันก่อนหน้านี้  ซึ่งพลาสติกก็เป็นหนึ่งในวัสดุที่ได้รับความสนใจและใช้งานเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากข้อดีหลายประการ เช่น มีน้ำหนักเบา ทนทานต่อการใช้งาน ราคาถูก ขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆได้อย่างหลากหลาย วัสดุต่างๆจำพวกไม้ โลหะ เซรามิกส์ ซึ่งมีราคาแพงกว่า และมีน้ำหนักมากทำให้สิ้นเปลืองพลังงานในการผลิตและขนส่งจึงถูกแทนที่ด้วยพลาสติกในการใช้งานหลายประเภท  อย่างไรก็ตามแม้พลาสติกเหล่านี้จะมีจุดเด่นและข้อดีมากมายเพียงใด แต่ปัญหาด้านการไม่สามารถย่อยสลายได้ ตกค้างในสิ่งแวดล้อมเป็นจำนวนมหาศาลและการกำจัดด้วยการเผาไหม้ก็ปลดปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งก่อให้เกิดปรากฎการณ์เรือนกระจกและสภาวะโลกร้อน  อีกทั้งวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตพลาสติกเหล่านี้ก็มาจากแหล่งปิโตรเลียมและปิโตรเคมีซึ่งจะต้องมีวันหมดไปในที่สุด ล้วนแล้วแต่เป็นประเด็นปัญหาที่สำคัญและต้องหาวิธีการแก้ไขอย่างเร่งด่วน ในประเทศไทยเองก็ประสบปัญหาปริมาณขยะพลาสติกที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเช่นกัน ซึ่งในปี พ.ศ.2546 ปริมาณขยะพลาสติกเกิดขึ้นทั่วประเทศถึง 14.4 ล้านตันและมีแนวโน้มจะเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ  อีกทั้งกระบวนการหลักในการกำจัดคือ การฝังกลบ  โดยมีเพียงร้อยละ 11 เท่านั้นที่มีการนำกลับมาใช้ใหม่ [1]  

อย่างไรก็ตาม ความกังวลต่อปัญหาชยะพลาสติกในปัจจุบันนำไปสู่แรงขับเคลื่อนที่สำคัญไปสู่การค้นหาวิธีการที่มีประสิทธิภาพที่สามารถแก้ไขปัญหาซึ่งก็มีอยู่หลายวิธี เช่น การใช้ซ้ำ (Reuse) การนำกลับมาใช้ใหม่ (Recycle) และการลดปริมาณการใช้ (Reduce) หนึ่งในแนวทางที่มีประสิทธิภาพและกำลังได้รับความสนใจมากคือ การลดการใช้งานพลาสติกเหล่านี้ลงและแทนที่ด้วยการใช้พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (Biodegradable plastics) โดยทั่วไปแล้วพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่ 1) กลุ่มที่มาจากธรรมชาติ เช่น แป้ง โปรตีน และเซลลูโลส 2) กลุ่มที่ได้จากกระบวนการหมักบ่มด้วยจุลินทรีย์ เช่น พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (PHAs) 3) กลุ่มที่ได้จากการสังเคราะห์จากมอนอเมอร์ธรรมชาติ เช่น พอลิแลกไทด์ (PLA) [2]

กลุ่มที่มาจากธรรมชาติโดยตรงนั้นถิอได้ว่าเป็นกลุ่มที่มีการใช้งานมาตั้งแต่โบราณกาล แต่ก็เหมือนพลาสติกที่มาจากปิโตรเลียมและปิโตรเคมี นั่นคือ มักจะไม่ใช้งานแบบเดี่ยวๆจะต้องมีการใช้วัสดุอื่นมาผสมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงหรือปรับปรุงสมบัติต่างๆ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนคือ การใช้เส้นใยต่างๆ เช่น เส้นใยจากฝ้าย ป่าน และปอ เป็นต้น เพื่อมาปรับปรุงสมบัติเชิงกลของวัสดุเชิงประกอบ (Composite) การใช้เส้นใยซลลูโลสเหล่านี้เพื่อเสริมแรงในพอลิเมอร์เป็นพื้นฐานของการผลิตและขึ้นรูปวัสดุก็ว่าได้ ในปัจจุบันด้วยเครื่องมือและวิธีที่ทันสมัยมากขึ้น เส้นใยเหล่านี้จึงถูกใช้งานในระดับที่เล็กลง แต่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เช่น ระดับไมโครและนาโนเมตรเพื่อปรับปรุงสมบัติวัสดุให้ดียิ่งๆขึ้น ส่วนในกลุ่มพลาสติกที่ได้จากกระบวนการหมักบ่มด้วยจุลินทรีย์นั้นเป็นกลุ่มพอลิเอสเทอร์ที่มีความพิเศษซึ่งสามารถผลิตมาจากพวกจุลินทรีย์ด้วยกลไกของตัวมันเอง ยกตัวอย่างเช่น พอลิไฮดรอกซีบิวทิเลต (poly(hydroxy butylate), PHB) พอลิเมอร์กลุ่มนี้มักใช้งานเป็นแบบโคพอลิเมอร์กับพอลิเมอร์ตัวอื่นเพื่อปรับปรุงสมบัติการใช้งาน แต่อย่างไรก็ตาม ด้วยกระบวนการผลิตที่ค่อนข้างยากทำให้มีราคาที่ค่อนข้างแพง การใช้งานจึงมีอยู่อย่างจำกัด และในกลุ่มสุดท้ายซึ่งเป็นกลุ่มที่จะเน้นในบทความนี้ คือ กลุ่มที่ได้จากการสังเคราะห์จากมอนอธรรมชาติ การพัฒนาของพอลิเมอร์สังเคราะห์ซึ่งใช้มอนอเมอร์ที่ได้มาจากแหล่งธรรมชาติทำให้เกิดแนวทางใหม่ในการที่จะพัฒนาพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หนึ่งในพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่โดดเด่นมากที่สุดในปัจจุบัน คือ พอลิแลกไทด์ เนื่องจากผลิตมาจากผลิตภัณฑ์ทางธรรมชาติ ไม่เป็นพิษ และสามารถย่อยสลายได้อย่างรวดเร็วในสิ่งแวดล้อม พอลิแลกไทด์นั้นได้มาจากกระบวนการพอลิเมอร์ไรเซชันของแลกทิกแอซิดโมเลกุลซึ่งได้จากการหมักบ่มของข้าวโพดและน้ำตาลอ้อย [3,4] ทำให้เกิดเป็นพลาสติกชีวภาพขึ้น

พอลิแลคไทด์ (PLA) เป็นพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพชนิดหนึ่งที่ได้รับความสนใจในการศึกษาและวิจัยมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องมาจากพอลิเมอร์นี้สามารถขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆได้อย่างหลากหลาย เช่น แก้ว จาน ขวด ช้อน ส้อม เป็นต้น อีกทั้งมีความโปร่งใส มีการเลือกผ่านก๊าซที่ดี และมีสมบัติเชิงกลที่ค่อนข้างสูงหลายประการเทียบได้กับพลาสติกทางการค้า เช่น พอลิสไตรีน รีน (polystyrene, PS) และ พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลท (polyethylene terepthalate, PET) เป็นต้น [1] ลักษณะต่างๆเหล่านี้ของพอลิแลกไทด์จึงเหมาะแก่การนำมาประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆได้อย่างหลายหลาย เช่น วิศวกรรมเนื้อเยื่อ (tissue engineering) ระบบนำส่งยา (drug delivery system) การประยุกต์ใช้ในด้านการแพทย์ รวมถึงการนำมาใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ [2] อีกทั้งมีปริมาณความต้องการใช้พอลิแลคไทด์สูงขึ้นทั้งจากผู้บริโภคและภาคอุตสาหกรรม พอลิแลกไทด์นั้นมีโครงสร้างเป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นตรงประกอบด้วยหมู่ เอสเทอร์เป็นหลัก (linear aliphatic polyester) ซึ่งผลิตมาจากวัตถุดิบทางธรรมชาติ พอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยาทางเคมีสองแบบ คือ ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน (ring opening polymer ization) และปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น (direct condensation polymerization) ได้เป็น พอลิแลกไทด์และพอลิแลกติก แอซิด ตามลำดับ ซึ่งสมบัติเชิงกลโดยทั่วไปคล้ายคลึงกัน [5,6] แต่ข้อเสียที่สำคัญคือ ราคาที่ค่อนข้างสูงเมื่อเปรียบเทียบกับพลาสติกทางการค้าจำพวกพอลิโอเลฟินส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานทางด้านบรรจุภัณฑ์ เนื่องจากเทคโนโลยีในการผลิตที่ซับซ้อน ประเทศไทยยังไม่มีเทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิตขึ้นเอง ความหนืดขณะหลอมเหลวสูง และสมบัติการยืดตัวที่น้อยทำให้สามารถนำพอลิแลกไทด์ไปใช้งานในด้านต่างๆได้อย่างจำกัด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การใช้งานเป็นฟิล์มและบรรจุภัณฑ์ วิธีการหนึ่งที่นิยมใช้ในการแก้ปัญหาคือ การใช้เทคโนโลยีการผสมกับวัสดุอื่นที่มีราคาถูก เช่น แป้ง ทั้งนี้เพราะแป้งนั้นมีอยู่มากมายในธรรมชาติ มีราคาไม่แพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประเทศไทยที่เป็นแหล่งวัตถุดิบที่อุดมสมบูรณ์ทั้งจากแป้งข้าวโพด แป้งข้าวเจ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แป้งมันสำปะหลัง นอกจากนี้ การเติมแป้งนั้นยังสามารถเพิ่มอัตราการย่อยสลายทางชีวภาพให้กับพอลิแลกไทด์ได้อีกด้วย [5,7,8] อย่างไรก็ตาม แป้งและพอลิแลกไทด์นั้นเข้ากันได้ยาก เนื่องจากโครงสร้างที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ (hydrophilic and hydrophobic structure) ที่แตกต่างกัน วัสดุทั้งสองจึงผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ยาก [2] และสามารถเติมแป้งลงในพอลิเมอร์ผสมได้ในปริมาณที่จำกัด ด้วยเหตุนี้ในการผสมแป้งและพอลิแลกไทด์จึงต้องมีการเติมสารช่วยผสม (compatibilizer) เพื่อช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ของวัสดุ [9-11]

จากแนวคิดและสมมุติฐานดังกล่าวจึงนำไปสู่การวิจัยเพื่อการพัฒนา ปรับปรุงสมบัติบางประการและลดต้นทุนการใช้งานของพอลิแลกไทด์ โดยนอกจากการปรับปรุงความเข้ากันได้ของวัสดุผสมทั้งสองแล้ว การดัดแปรแป้งด้วยกระบวนการเจลาติไนเซชัน (gelatinization) เพื่อลดความเป็นผลึกลงทำให้แป้งสามารถเกิดการไหลได้เหมือนพลาสติกทั่วไปและขึ้นรูปได้โดยไม่เกิดการสลายตัวก็เป็นอีกวิธีหนึ่ง ซึ่งเป็นที่นิยมใช้ในการปรับปรุงสมบัติของแป้งก่อนการขึ้นรูปหรือนำไปผสมกับพอลิเมอร์ชนิดอื่นซึ่งกระบวนการนี้เป็นการเปลี่ยนโครงสร้างแป้งเป็นเทอร์โมพลาสติก (thermoplastic starch) โดยการทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโซ่โมเลกุลของแป้ง นอกจากนี้การปรับปรุงสมบัติของพอลิแลกไทด์แและแป้งที่มีความเปราะ ยืดตัวได้น้อย ไม่เหมาะกับการนำมาใช้งานที่ต้องการความยืดตัวนั้นก็เป็นอีกหนึ่งส่วนสำคัญที่ต้องให้ความสนใจ โดยทั่วไปสามารถแก้ไขได้โดยทำการผสมพอลิแลกไทด์กับพลาสติไซเซอร์ (plasticizer) ที่เหมาะสม หรือพอลิเมอร์ชนิดอื่นที่มีความยืดหยุ่นสูง เช่น poly(butylene adipate terephthalate) (PBAT) หรือที่รู้จักกันในชื่อทางการค้าว่า อีโคเฟลกซ (Ecoflex) และ polycaprolactone (PCL) เป็นต้น เนื่องจากคุณสมบัติที่มีการยืดตัวดีและเหนียว โดยมีค่าการยืดตัวได้มากถึงร้อยละ 710 อีกทั้งยังสามารถขึ้นรูปได้ง่ายและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ จึงมีงานวิจัยหลายชิ้นที่ได้นำอีโคเฟลกซมาผสมกับพอลิแลกไทด์เพื่อเพิ่มความสามารถในการยืดตัวออกได้ของพอลิเมอร์ผสม โดยพบว่า เมื่อเพิ่มอีโคเฟล็กซในปริมาณเพียงร้อยละ 0-20 โดยน้ำหนัก ส่งผลให้ค่า melt elasticity ความหนืดขณะหลอมเหลว (melt viscosity) ค่าการยืดตัว (elongation) และค่าความเหนียว (toughness) มีค่าเพิ่มสูงขึ้น แต่สมบัติความทนแรงดึง (tensile strength) และมอดุลัส (moldulus) ลดลงเล็กน้อย [12,13] ทั้งหมดนี้เป็นตัวอย่างหนึ่งของกรอบแนวความคิดของการวิจัยเพื่อปรับปรุงสมบัติการใช้งานและลดต้นทุนของฟิล์มพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพของพอลิแลกไทด์ แนวทางในการพัฒนาและการวิจัยด้านพลาสติกชีวภาพยังคงเปิดกว้างรอผู้สนใจที่จะศึกษาและพัฒนาเพื่อร่วมกันส่งเสริมและสร้างความเข้มแข็งให้แก่งานวิจัยด้านพลาสติกชีวภาพของประเทศต่อไป

เอกสารอ้างอิง

[1] ธนาวดี ลี้จากภัย. 2547. พลาสติกย่อยสลายได้เพื่อสิ่งแวดล้อม. ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. [2] Yu, L., Dean, K., and Li, L. 2006. Polymer Blends and Composites from Renewable Resources. Progress in Polymer Science 31: 576-602. [3] Lunt, J., 1998. Large-Scale Production, Properties and Commercial Applications of Polylactic Acid Polymers. Polymer Degradation and Stability 59: 145–152. [4] Lemoigne, M., 1925. The Origin of B-hydroxy Butyric acid obtained by Bacterial Process. Comptes rendus de l'Acad?mie des Sciences 180: 1539–1541. [5] Ohkita, T., and Lee, S.H. 2006. Thermal Degradation and Biodegradability of Poly(lactic acid)/Corn Starch Biocomposites. Journal of Applied Polymer Science 100: 3009-3017. [6] Kozlowski, M., Masirek, R., and Piorkowska, S. 2007. Biodegradable Blends of Poly(L-lactide) and Starch. Journal of Applied Polymer Science 105: 269-277. [7] Ratanakamnuan, U., and Aht-Ong, D. 2006. Photobiodegradation of Low-Density Polyethylene/Banana Starch Films. Journal of Applied Polymer Science 100: 2725-2736. [8] Phetwarotai, W., and Aht-Ong, D. 2012. Biodegradation of Polylactide and Gelatinized Starch Blend Films Under Controlled Soil Burial Conditions. Journal of Polymers and the Environment 261: 1-13. [9] Wang, H., Sun, X., and Seib, P. 2001. Strengthening Blends of Poly(lactic acid) and Starch with Methylenediphenyl Diisocyanate. Journal of Applied Polymer Science 82: 1761-1767. [10] Wang, H., Sun, X., and Seib, P. 2002. Mechanical Properties of Poly(lactic acid) and Wheat Starch Blends with Methylenediphenyl Diisocyanate. Journal of Applied Polymer Science 84: 1257-1262. [11] Wang, H., Sun, X., and Seib, P. 2002. Effects of Starch Moisture on Properties of Wheat Starch/Poly(lactic acid) Blend Containing Methylenediphenyl Diisocyanate. Journal of Polymers and the Environment 10: 133-138. [12] Jang, L., Wolcott, P. M., and Zhang, L. 2006. Study of Biodegradable Polylactide/Poly(butylene adipate-co-terephthalate) Blends. Biomacromolecules 7: 199-207. [13] Ren, J., Fu, H., Ren, T., Weizhong, Y. 2009. Preparation, Characterization and Properties of Binary and Ternary Blends with Thermoplastic Starch, Poly(lactic acid) and Poly(butylene adipate-co-terephthalate). Carbohydrate Polymers 77: 576-582.