Conditions de traitement optimales pour le taux de cristallisation maximal du poly(3
MaisonMaison > Blog > Conditions de traitement optimales pour le taux de cristallisation maximal du poly(3

Conditions de traitement optimales pour le taux de cristallisation maximal du poly(3

Apr 13, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 497 (2023) Citer cet article

585 accès

1 Citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

L'effet des histoires thermiques et de cisaillement sur la vitesse de cristallisation du poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBHHx) a été étudié. Comme avec d'autres polymères cristallins, l'historique de cisaillement a fortement affecté la vitesse de cristallisation lorsque la vitesse de cisaillement était au-delà d'une valeur critique, c'est-à-dire l'inverse du temps de relaxation de Rouse. Même après la formation de cristaux à chaîne étendue, la texture de la sphérulite était clairement discernable. Il s'est développé à partir de certains points sur les cristaux à chaîne étendue. Par conséquent, une rangée de sphérulites est apparue dans le sens de l'écoulement. La température de la résine à l'état fondu était également importante. Lorsque l'échantillon a été chauffé à 170 ° C, ce qui est au-delà du pic de fusion principal dans la courbe de calorimétrie à balayage différentiel, les cristaux non fondus n'ont pas affecté les propriétés viscoélastiques linéaires. Ils ont agi comme agents de nucléation efficaces pour le reste du polymère pendant le refroidissement. Par conséquent, l'histoire du cisaillement n'affecte guère la vitesse de cristallisation et le nombre de sphérulites.

Le plastique est un matériau synthétique remarquable car il est solide, durable et léger, et peut donc être utilisé comme substitut plus efficace à d'autres matériaux. Les propriétés d'un plastique peuvent également être personnalisées en modifiant la méthode de sa synthèse et les additifs inclus, ce qui le rend utile dans un large éventail d'industries et dans notre vie quotidienne1,2. Cependant, s'ils ne sont pas correctement gérés, ces matériaux merveilleux provoqueront inévitablement une crise des déchets avec des conséquences désastreuses pour les êtres vivants et l'environnement. La solution à ce problème nécessite une gestion appropriée des déchets et le développement de plastiques inoffensifs pour l'environnement. Par conséquent, des bioplastiques et des matériaux alternatifs avec une dégradabilité améliorée ont été inventés3,4,5.

Le poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) est l'un des bioplastiques les plus attrayants car il est produit à partir de ressources renouvelables et se biodégrade facilement en dioxyde de carbone et en eau, même dans l'océan6,7,8,9,10. Cependant, il est sujet à une dégradation thermique sévère via la décomposition de l'ester cyclique à six chaînons aux températures requises pour le traitement11,12. Bien que le taux de dégradation et son impact sur l'aptitude au traitement aient été prédits quantitativement, la mauvaise aptitude au traitement du PHB ne peut être ignorée13,14. Par conséquent, une étude intensive sur l'incorporation d'une autre espèce de monomère qui abaisserait le point de fusion du polymère a été réalisée pour permettre un traitement à basse température15,16. Le poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBHHx) est l'un de ces copolymères à succès commercial. À ce jour, le PHBHHx a été utilisé dans diverses applications telles que les sacs à provisions, les couverts, les pailles et les emballages alimentaires17,18. Pour étendre davantage l'applicabilité du PHBHHx, il est nécessaire d'augmenter son taux de cristallisation pour réduire le temps de cycle et/ou augmenter le taux de production19,20,21,22,23. Par conséquent, compte tenu des opérations de traitement réelles, le comportement de cristallisation d'un PHBHHx avec divers historiques thermiques et de cisaillement a été examiné dans cette étude.

Jusqu'à présent, il y a eu un certain nombre d'études sur le comportement de cristallisation du PHB et de ses copolymères. Selon eux, le PHB forme généralement une forme orthorhombique, appelée forme α, dans les méthodes de refroidissement conventionnelles24, et son point de fusion à l'équilibre \(T_{m}^{0}\) est d'environ 200 °C25. Considérant que le taux de croissance linéaire de la cristallisation devient un maximum entre \(T_{m}^{0}\) et la température de transition vitreuse Tg, qui est d'environ 10 °C26, la température appropriée pour favoriser la cristallisation est d'environ 105 °C27 . Ceci a été corroboré par des résultats expérimentaux28. En général, le PHB et ses copolymères sont connus pour former des sphérulites relativement grosses, car le processus de nucléation est assez lent. Par conséquent, divers matériaux ont été utilisés pour augmenter les noyaux, tels que le talc, le nitrure de bore, l'hydroxyapatite, le nanotube de carbone, l'oxyde de terbium, l'uracile, la thymine, l'acide orotique, l'acide benzoïque10, le béhénamide et ses dérivés, et le diéthyl 4,5,10, 11-tétraoxo-3,6,9,12-tétraazatétradécane-1,14-dioate29. La cristallisation induite par le flux a également été étudiée. Il est bien connu que l'étirement de la chaîne pendant l'écoulement est responsable de la formation de shish21,30,31,32,33,34. Par conséquent, une fraction de poids moléculaire élevé qui a un long temps caractéristique pour l'étirement de la chaîne, c'est-à-dire le temps de relaxation de Rouse, joue un rôle important au stade précoce de la cristallisation induite par l'écoulement, bien que le PHB et ses copolymères produits par des microbes aient généralement des propriétés étroites. répartition du poids moléculaire. Par conséquent, Fujita et al.35 ont ajouté le PHB de poids moléculaire élevé en mélangeant la solution pour induire la formation de shish et ont confirmé que la formation de la structure shish-kebab était améliorée. Cependant, à l'échelle industrielle, il n'est pas facile d'ajouter de manière homogène une petite quantité d'une fraction de haut poids moléculaire. L'ajout d'un homopolymère à un copolymère est également souvent utilisé pour améliorer la vitesse de cristallisation. Dans le cas du PHBHHx, cependant, la dégradation thermique devient un grave problème lors de l'utilisation de l'homopolymère, c'est-à-dire le PHB.

Le PHBHHx a été fabriqué par Kaneka Corp., Japon. La teneur en 3-hydroxyhexanoate est de 5,4% en moles et le point de fusion au premier chauffage des pastilles d'échantillon était de 147 ° C selon les mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) obtenues à 10 ° C min-1. Les poids moléculaires moyens en nombre, en poids, z et z + 1 étaient respectivement Mn = 89 000, Mw = 179 000, Mz = 284 000 et Mz+1 = 389 000 g/mol, mesurés par chromatographie par perméation de gel ( GPC) utilisant du chloroforme comme solvant et du polystyrène comme standard. Des mesures de diffusion de la lumière multi-angle combinées à la GPC ont également été utilisées pour évaluer le poids moléculaire moyen en poids. D'après les résultats, le facteur Q était de 0,457.

Les pastilles de PHBHHx ont été séchées pendant 3 h à 80 °C dans une étuve à vide avant le processus de fusion. Les échantillons obtenus ont été moulés en films plats (100 à 300 µm d'épaisseur) à l'aide d'une machine de moulage par compression (presse d'essai de type Table ; Tester Sangyo Co., Ltd., Saitama, Japon) à 180 °C pendant 2 min. Les films ont été coupés en petits morceaux afin que leurs propriétés rhéologiques et leur comportement de cristallisation puissent être évalués à l'aide d'un microscope optique polarisant (POM).

La dépendance en fréquence du module de cisaillement oscillatoire a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre à cône et plaque (AR2000ex; TA Instruments, Inc., New Castle, DE, USA) à 150, 160, 170 et 180 ° C sous une atmosphère d'azote. Le diamètre du cône était de 25 mm, l'angle du cône était de 4° et le balayage de fréquence a été effectué de 0,01 à 249,8 rad s−1.

La température de cristallisation a été évaluée par DSC (DSC8500; PerkinElmer Inc., Waltham, MA, USA) sous atmosphère d'azote. Un échantillon de film d'environ 3 mg a été placé dans une coupelle en aluminium. Après chauffage à 170 et 180 °C pendant 5 min, l'échantillon a été refroidi à 10 °C min-1 pour déterminer sa température de cristallisation.

Le comportement de cristallisation d'échantillons de film avec et sans historique de cisaillement a également été évalué à l'aide d'un POM à configuration polaire croisée (Leica DMLP ; Leica Microsystems, Ltd., Wetzlar, Allemagne) fixé à une platine de cisaillement à plaques parallèles en quartz (CSS450 ; Linkam Scientific Instruments, Ltd., Surrey, Royaume-Uni). L'étage à plaques parallèles était recouvert d'une chambre à température contrôlée, qui a une fenêtre à 7,5 mm du centre qui permet le passage de la lumière. Les angles entre la direction du flux et à la fois le polariseur et l'analyseur étaient de 45°. L'écart entre les plaques était de 300 µm. Le cisaillement a été appliqué pendant les processus isothermes et de refroidissement à 10 et 50 s-1 à la position de la fenêtre (7,5 mm du centre) par une rotation de la plaque inférieure. Un photodétecteur (PM16-121; Thorlabs Inc., Newton, MA, USA) a été utilisé à la place de l'un des oculaires pour déterminer l'intensité de la lumière après son passage à travers un filtre de couleur de 633 nm. Une caméra a été installée sur l'autre oculaire pour étudier la morphologie. Les détails et quelques résultats expérimentaux obtenus par cette machine ont été rapportés dans nos articles précédents36,37. La figure 1 illustre les protocoles expérimentaux pour la température et le cisaillement. La valeur d'intensité lumineuse dépolarisée (DLI) a été calculée à l'aide de l'équation suivante :

où I0 est l'intensité lumineuse traversant un échantillon sous polaires croisées, et IX et I|| sont les intensités lumineuses sans échantillon sous polaires croisées et parallèles, respectivement.

Protocoles expérimentaux. Études de la cristallisation pendant le processus de refroidissement (en haut) et le processus isotherme (en bas).

Les propriétés viscoélastiques linéaires des échantillons fondus ont été évaluées avant les mesures de cristallisation, car les propriétés rhéologiques, qui contiennent les informations sur la dynamique moléculaire, affectent directement le taux de croissance latérale de la cristallisation, quel que soit l'historique d'écoulement. La figure 2 comprend les courbes maîtresses illustrant la dépendance en fréquence angulaire ω des modules de cisaillement oscillatoires, c'est-à-dire le module de stockage G′ et le module de perte G″, à 160 °C (la température de référence Tr).

Courbes maîtresses illustrant les dépendances en fréquence du module de stockage en cisaillement G′ et du module de perte G″. La température de référence Tr était de 160 °C.

G′ et G″ diminuaient de manière monotone avec la diminution de la fréquence angulaire. Les pentes des courbes G′ et G″ dans la région des basses fréquences étaient de 1 et 2, respectivement, qui sont des comportements viscoélastiques typiques d'un polymère fondu38. Par conséquent, les paramètres rhéologiques dans la zone terminale, c'est-à-dire la viscosité à cisaillement nul \(\eta_{0}\), la conformité au cisaillement à l'état d'équilibre \(J_{e}^{0}\) et la relaxation moyenne en poids temps τw, défini dans les équations. (2)–(4), ont été calculées comme étant \(\eta_{0}\) = 3,2 × 102 Pa s, \(J_{e}^{0}\) = 4,0 × 10–5 Pa−1, et τw = 1,2 × 10–2 s à 160 °C.

où H(τ) est le spectre de relaxation.

La valeur τw a également été confirmée sur la Fig. 2. L'inverse de la fréquence angulaire au point de croisement des deux droites était de 1,3 × 10–2 s. Comme cela est bien connu, \(J_{e}^{0}\) est fortement affecté par la distribution du poids moléculaire. Selon l'éq. (5), rapportée par Mills39, la valeur \(J_{e}^{0}\) du PHBHHx monodispersé, c'est-à-dire \(J_{e}^{00}\), a été calculée comme étant de 7,2 × 10 –6 Pa−1.

En utilisant la relation entre \(J_{e}^{00}\) et la conformité d'enchevêtrement \(J_{N}^{0}\), le module de plateau caoutchouteux \(G_{N}^{0}\), qui peut être estimée à partir de l'Eq. (6)40,41, a été calculé à 3,5 × 105 Pa. Des chercheurs antérieurs ont évalué la valeur \(G_{N}^{0}\) pour le PHB et ses copolymères. Liao et al.42 ont rapporté qu'elle était de 2,43 à 3,05 × 105 Pa en utilisant des échantillons de PHBHHx avec une teneur en 3-hydroxyhexanoate de 3,8 à 10,0 % en moles. Ebrahimi et al.43 ont évalué un homopolymère de PHB et ont trouvé que son \(G_{N}^{0}\) est de 2,4 × 105 Pa. Selon l'Eq. (7), ces données donnent des valeurs Me de 9 400 à 14 500. En utilisant les données obtenues dans la présente étude, \(G_{N}^{0}\) a été calculé à 3,5 × 105 Pa, ce qui est légèrement supérieur aux valeurs obtenues précédemment, probablement en raison d'une erreur expérimentale dans la distribution du poids moléculaire . Seule une infime différence dans la fraction de poids moléculaire élevé, c'est-à-dire Mz, produit une grande différence dans \(J_{e}^{00}\). De plus, \(J_{e}^{0}\) peut contenir une erreur expérimentale.

Les facteurs de décalage horizontal aT de la Fig. 2 ont fourni l'énergie d'activation de l'écoulement Ea à partir du tracé d'Arrhenius (Eq. (8)), qui a été calculée à 36,9 kJ mol-1. La valeur correspond à celles rapportées précédemment42,44,45.

La figure 3 comprend les courbes de refroidissement DSC obtenues à une vitesse de 10 °C min-1. Lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 170 °C, un pic exothermique était clairement visible à 93,7 °C, avec une température de début d'environ 103 °C. En revanche, un pic de cristallisation n'a pas été observé lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 180 °C. Le résultat suggère que les résidus de cristal ont été complètement fondus une fois que l'échantillon a été chauffé à 180 °C. En d'autres termes, un petit nombre de cristaux existent à 170 ° C et agissent comme agents de nucléation pour le matériau fondu.

Courbes de refroidissement par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) obtenues à 10 °C min−1. Les échantillons ont été refroidis entre 170 et 180 °C.

Le comportement de cristallisation a également été étudié à l'aide d'un POM dans les mêmes conditions que celles utilisées pour l'analyse DSC. La figure 4 comprend les courbes d'intensité lumineuse dépolarisée (DLI) obtenues lors du refroidissement entre 170 et 180 °C. La valeur DLI a commencé à augmenter à environ 103 ° C lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 170 ° C, ce qui correspondait bien au résultat DSC. Cependant, lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 180 °C, la valeur a légèrement augmenté à 75 °C. Considérant que la courbe DSC ne présentait aucun pic / épaulement exothermique, même à 75 ° C, l'observation POM semble être plus sensible au stade précoce de la cristallisation. La diminution des valeurs DLI après avoir dépassé le maximum de la courbe de refroidissement à partir de 170 ° C doit être attribuée à l'augmentation de la diffusion de la lumière des sphérulites.

Courbes de croissance de l'intensité lumineuse dépolarisée (DLI) pendant le refroidissement à 10 °C min−1. L'échantillon n'avait aucun historique de cisaillement avant le refroidissement.

Les informations morphologiques obtenues lors du refroidissement sont présentées à la Fig. 5. Il convient de noter que les images POM ne correspondent pas toujours à la valeur DLI car la vitesse d'obturation de la caméra a été sélectionnée automatiquement pour capturer l'image clairement. Par conséquent, lorsque le DLI était faible, une vitesse d'obturation lente a été sélectionnée pour éviter une image sombre.

Images au microscope optique polarisant (POM) obtenues à l'aide de polaires croisées qui indiquent la morphologie des échantillons lors du refroidissement de 170 ° C (en haut) et 180 ° C (en bas) sans historique de cisaillement. La vitesse de refroidissement était de 10 °C min-1.

Quelle que soit la température de chauffage avant refroidissement, c'est-à-dire 170 ou 180 °C, la texture des sphérulites a été détectée sans aucune orientation macroscopique. Cependant, le nombre de sphérolites différait significativement. De nombreuses sphérulites ont été détectées lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 170 °C. C'est comme prévu car à 170 ° C, les cristaux non fondus ont agi comme des noyaux. De plus, il convient de noter que ces cristaux non fondus n'affectaient guère les propriétés viscoélastiques linéaires car la région terminale rhéologique était clairement détectée, même à 150 ° C, comme le montre la figure 2. Cela signifie que les cristaux existaient sous forme de particules solides n'ayant aucune interaction avec chaînes polymères à l'état fondu. Une fois que les cristaux fournissent une structure de micelles frangées et/ou une structure de réseau, un mécanisme de relaxation à long terme doit être détecté.

La figure 6 montre les courbes DLI obtenues lors du refroidissement de 170 ou 180 °C à 130 °C avec historique de cisaillement. Lorsque l'échantillon a été refroidi à partir de 170 ° C, l'historique de cisaillement n'a pas affecté la température de cristallisation. Les résidus cristallins doivent jouer un rôle prédominant dans la cristallisation. Lorsqu'elle est refroidie à partir de 180 ° C, en revanche, la cristallisation s'est produite à une température plus élevée après l'application d'un historique de cisaillement à 50 s-1, démontrant qu'une cristallisation induite par cisaillement s'est produite. Le taux de cisaillement critique pour la formation de shish doit être compris entre 10 et 50 s−1.

Courbes de croissance de l'intensité lumineuse dépolarisée (DLI) avec/sans historique de cisaillement appliqué pendant le refroidissement à 10 °C min−1. L'historique de cisaillement a été appliqué de 170 °C (gauche) et 180 °C (droite) à 130 °C à 10 et 50 s−1.

Les images POM obtenues avec une configuration polaire croisée ont été présentées sur les Fig. 7 et 8. Les morphologies représentées sur la Fig. 7 étaient presque similaires aux images du haut de la Fig. 5. C'est comme prévu car le cisaillement appliqué n'a pas affecté la cinétique de cristallisation. La cristallisation s'est produite rapidement en raison de la présence des cristaux non fondus. Le comportement de cristallisation était significativement différent lorsque l'échantillon était refroidi à partir de 180 °C. Comme le montre la Fig. 8, les morphologies après exposition à un cisaillement de 10 s−1 étaient similaires à celles sans historique de cisaillement (Fig. 5, en bas). Après cisaillement à 50 s-1, le nombre de sphérulites a nettement augmenté, comme rapporté précédemment10,18. Cependant, le flux de cisaillement appliqué n'a pas affecté la forme des sphérulites. Le présent résultat suggère que l'orientation de la chaîne fournie par le cisaillement était complètement relâchée avant la croissance latérale des cristaux.

Images au microscope optique polarisant (POM) montrant la morphologie d'un échantillon. Les images ont été obtenues pendant le refroidissement à des taux de cisaillement de 10 et 50 s−1. L'historique de cisaillement a été appliqué de 170 à 130 °C.

Images au microscope optique polarisant (POM) montrant la morphologie d'un échantillon. Les images ont été obtenues pendant le refroidissement à des taux de cisaillement de 10 et 50 s−1. L'historique de cisaillement a été appliqué de 180 à 130 °C.

Les figures 9 et 10 montrent les comportements de cristallisation isotherme à 110 °C. Les échantillons ont été refroidis à des flux de cisaillement de 1, 10 et 50 s−1 à 110 °C, c'est-à-dire juste avant le processus isotherme. Le flux de cisaillement a eu une influence marquée sur la vitesse de cristallisation. En particulier, des flux de cisaillement de 10 et 50 s-1 réduisent fortement la période d'induction de cristallisation ; 180 s pour 10 s−1 et 150 s pour 50 s−1. De plus, comme indiqué sur la figure 10, le flux de cisaillement appliqué n'a pas conduit à une structure shish-kebab mais a augmenté le nombre de noyaux cristallins. De plus, il convient de noter qu'un certain nombre de sphérulites étaient alignées dans la direction de l'écoulement après l'historique de cisaillement à 50 s−1. Cette structure anormale suggérait l'existence de cristaux à chaîne étendue ; c'est-à-dire que le shish s'est vraisemblablement formé pendant l'écoulement. Cependant, il n'a pas été directement détecté par l'investigation à l'aide du POM, car le diamètre doit être trop petit30,32,33,34,35. Par la suite, une partie du shish est devenue sporadiquement un noyau pour les sphérulites. Parce que le shish est orienté vers l'écoulement, c'est-à-dire la direction verticale, les sphérulites alignées en lignes verticales dans l'échantillon ayant l'historique de cisaillement à 50 s−1. L'image POM a également démontré que les sphérulites ne présentaient pas d'orientation/déformation dans le sens de l'écoulement, indiquant que la croissance latérale des sphérulites s'est produite dans toutes les directions. Ce résultat a démontré que même les cristaux à chaîne étendue ne peuvent pas agir comme de bons agents de nucléation pour induire la transcristallisation de PHBHHx. Bien que la raison de la formation de la texture de la sphérulite, et non du kebab, soit inconnue, il est possible que la forme cristalline du shish soit différente de celle des cristaux à chaîne pliée.

Courbes de croissance de l'intensité lumineuse dépolarisée (DLI) pendant le processus isotherme avec historique de cisaillement appliqué pendant le refroidissement à 10 °C min−1. L'historique de cisaillement a été appliqué de 180 à 110 °C à 1, 10 et 50 s−1, puis maintenu à 110 °C pendant 10 min.

Images au microscope optique polarisant (POM) montrant la morphologie pendant le processus isotherme avec historique de cisaillement appliqué pendant le refroidissement à 10 °C min−1. L'historique de cisaillement a été appliqué de 180 à 110 °C à 1, 10 et 50 s−1, puis maintenu à 110 °C pendant 10 min.

Le temps de relaxation moyen en poids τw à 110 ° C a été prédit par l'énergie d'activation de l'écoulement Ea et s'est avéré être de 0, 040 s. Par conséquent, le nombre de Weissenberg associé au mouvement de reptation33, donné par l'Eq. (9), est devenu supérieur à 1 à 50 s−1. Le résultat indique la possibilité d'une croissance anisotrope des cristaux au début de la cristallisation. Cependant, en raison du taux de croissance linéaire lent de PHBHHx, la plupart des chaînes fondues ont perdu leur orientation avant la cristallisation, ce qui a donné des sphérulites normales.

De plus, le nombre de Weissenberg associé au mode de Rouse, défini dans l'Eq. (10), doit être supérieur à 1 à 10 s−1 car le nombre de cristaux a nettement augmenté.

Le temps de relaxation Rouse est déterminé par le poids moléculaire comme suit :

où τe est le temps de relaxation de Rouse d'un segment de chaîne entre des points d'enchevêtrement voisins, et vaut 3 × 10–4 s pour PHB34. En supposant que le Me est de 10 700, le poids moléculaire requis pour la formation de shish à \(\dot{\gamma } = 10\) s−1 doit être supérieur à 195 000. C'est plus élevé que le Mz+1 du présent échantillon, qui est de 183 000 (le poids moléculaire absolu). C'est comme prévu car une infime quantité d'une fraction de poids moléculaire élevé, par exemple 0,1%46, est suffisante pour la formation de shish.

Le comportement de cristallisation du PHBHHx a été étudié en tenant compte des conditions réelles de traitement. La température de fusion avant refroidissement affecte nettement la vitesse de cristallisation. Le chauffage d'un échantillon à/au-dessus de 180 °C n'est pas recommandé car tous les résidus de cristaux fondent, ce qui ralentit la nucléation. La fusion à 170 °C a conservé les cristaux non fondus sans affecter les propriétés rhéologiques. Ces cristaux non fondus agissent comme agents de nucléation et augmentent considérablement la vitesse de cristallisation. Le résultat a indiqué que des cristaux non fondus existent facilement même sans ajouter un autre PHBHHx n'ayant pas/moins de teneur en hydroxyhexanoate. Il s'agit d'informations importantes pour accélérer la vitesse de cristallisation, en particulier lors des opérations de traitement secondaire, telles que le thermoformage, le moulage par injection-soufflage et l'étirage à chaud. Lorsque les cristaux non fondus sont fondus par exposition à une température élevée, un fort flux de cisaillement doit être appliqué, auquel le nombre de Weissenberg associé au mode de Rouse est supérieur à l'unité. Cette situation favorise la formation de shish. Cependant, une structure cristalline orientée telle que le shish kebab est largement absente après l'arrêt de l'écoulement. Dans la présente étude, au lieu de la formation d'une structure cristalline orientée, plusieurs sphérulites sont apparues dans une rangée orientée avec la direction de l'écoulement. Cette structure unique doit provenir de la croissance sporadique de sphérulites sur les cristaux à chaîne étendue.

Tous les ensembles de données utilisés et/ou les analyses effectuées et les résultats obtenus sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Brydson, JA Plastics Materials (Elsevier, 1999).

Google Scholar

Gilbert, matières plastiques de M. Brydson (William Andrew, 2016).

Google Scholar

Chanprateep, S. Tendances actuelles des polyhydroxyalcanoates biodégradables. J. Biosci. Bioeng. 110, 621–632 (2010).

Article CAS Google Scholar

Bastioli, C. Manuel des polymères biodégradables (Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2020).

Réserver Google Scholar

Sharma, M. Polymères biodégradables : matériaux et leurs structures (CRC Press, 2021).

Réserver Google Scholar

Mergaert, J., Anderson, C., Wouters, A. & Swings, J. Dégradation microbienne du poly (3-hydroxybutyrate) et du poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) dans le compost. J. Environ. Polym. Dégrad. 2, 177-183 (1994).

Article CAS Google Scholar

Iwata, T., Doi, Y., Nakayama, S., Sasatsuki, H. & Teramachi, S. Structure et dégradation enzymatique de monocristaux de copolymère poly (3-hydroxybutyrate) avec une dépolymérase PHB extracellulaire d'Alcaligenes faecalis T1. Macromolécules 25, 169–176 (1999).

Article CAS Google Scholar

Sanyal, P., Samaddar, P. & Paul, A. Dégradation du poly (3-hydroxybutyrate) et du poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) par certains sols Aspergillus spp. J. Polym. Environ. 14, 257-263 (2006).

Article CAS Google Scholar

Sangkharak, K., Paichid, N., Yunu, T. & Prasertsan, P. Nouveaux biocomposites à base de polyhydroxyalcanoate obtenus par coulée en solution et leur application pour l'élimination des bactéries et la purification des eaux usées domestiques. J. Polym. Environ. 28, 1893-1900 (2020).

Article CAS Google Scholar

Wang, Q. et al. Cristallisation des polyhydroxyalcanoates microbiens : une revue. Int. J. Biol. Macromol. 209, 330–343 (2022).

Article CAS Google Scholar

Grassie, N., Murray, E. & Holmes, P. La dégradation thermique de l'acide poly (-(d)-β-hydroxybutyrique): Partie 1 - Identification et analyse quantitative des produits. Polym. Dégrad. Poignarder. 6, 47–61 (1984).

Article CAS Google Scholar

Kunioka, M. & Doi, Y. Dégradation thermique des copolyesters microbiens : poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) et poly (3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate). Macromolécules 23, 1933–1936 (1990).

Article ADS CAS Google Scholar

Daly, PA, Bruce, DA, Melik, DH & Harrison, GM Cinétique de dégradation thermique du poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate). J. Appl. Polym. Sci. 98, 66–74 (2005).

Article CAS Google Scholar

Yamaguchi, M. & Arakawa, K. Effet de la dégradation thermique sur les propriétés rhéologiques du poly (3-hydroxybutyrate). EUR. Polym. J. 42, 1479-1486 (2006).

Article CAS Google Scholar

Abe, H. & Doi, Y. Conception moléculaire et matérielle de polyhydroxyalcanoates biodégradables (PHA). Biopolyme. Bio en ligne. Chim. Biotechnol. Appl. 3 (2005).

Arakawa, K., Yokohara, T. & Yamaguchi, M. Amélioration de l'élasticité à l'état fondu du poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) par addition de gel faible. J. Appl. Polym. Sci. 107, 1320-1324 (2007).

Article Google Scholar

Lambert, S. & Wagner, M. Performance environnementale des plastiques biosourcés et biodégradables : la voie à suivre. Chim. Soc. Rév. 46, 6855–6871 (2017).

Article CAS Google Scholar

Kumar, V., Sehgal, R. & Gupta, R. Mélanges et composites de polyhydroxyalcanoates (PHA) et leurs applications. EUR. Polym. J. 161, 110824 (2021).

Article CAS Google Scholar

Yamaguchi, M. & Arakawa, K. Contrôle des propriétés mécaniques structurelles pour les mélanges binaires de poly (3-hydroxybutyrate) et de dérivé de cellulose. J. Appl. Polym. Sci. 103, 3447–3452 (2007).

Article CAS Google Scholar

Balzano, L., Kukalyekar, N., Rastogi, S., Peters, GW et Chadwick, JC Cristallisation et dissolution des précurseurs induits par le flux. Phys. Rév. Lett. 100, 048302 (2008).

Annonces d'article Google Scholar

Mykhaylyk, OO et al. Contrôle de la morphologie structurale dans la cristallisation induite par cisaillement des polymères. Macromolécules 43, 2389–2405 (2010).

Article ADS CAS Google Scholar

Duangphet, S., Szegda, D., Song, J. & Tarverdi, K. L'effet de l'allongeur de chaîne sur le poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) : dégradation thermique, cristallisation et comportements rhéologiques. J. Polym. Environ. 22, 1–8 (2014).

Article CAS Google Scholar

Nie, C. et al. Progrès récents dans la cristallisation des polymères induite par l'écoulement. J. Polym. Sci. 60, 3149–3175 (2022).

Article CAS Google Scholar

Yokouchi, M., Chatani, Y., Tadokoro, H., Teranishi, K. & Tani, H. Études structurales des polyesters : 5. Structures moléculaires et cristallines du poly (β-hydroxybutyrate) optiquement actif et racémique. Polymère 14, 267-272 (1973).

Article CAS Google Scholar

Barham, PJ, Keller, A., Otun, EL & Holmes, PA Cristallisation et morphologie d'un thermoplastique bactérien : Poly-3-hydroxybutyrate. J. Mater. Sci. 19, 2781-2794 (1984).

Article ADS CAS Google Scholar

Okui, N. Relations entre la température de fusion, la température de cristallisation maximale et la température de transition vitreuse. Polymer 31, 92–94 (1990).

Article CAS Google Scholar

Reiter, G. & Sommer, JU Cristallisation des polymères : observations, concepts et interprétations (Springer Science & Business Media, 2003).

Réserver Google Scholar

Iannace, S., Ambrosio, L., Huang, S. & Nicolais, L. Mélanges de poly (3-hydroxybutyrate)-co-(3-hydroxyvalérate)/poly-l-lactide : propriétés thermiques et mécaniques. J. Appl. Polym. Sci. 54, 1525-1535 (1994).

Article CAS Google Scholar

Wypych, G. Manuel des agents de nucléation (ChemTec Publishing, 2016).

Google Scholar

De, GP Transition bobine-étirement de polymères flexibles dilués sous des gradients de vitesse ultra-élevés. J. Chem. Phys. 60, 5030 (1974).

Annonces d'article Google Scholar

Housmans, JW, Steenbakkers, RJ, Roozemond, PC, Peters, GW & Meijer, HE Saturation de noyaux ponctuels et transition vers des structures orientées dans la cristallisation induite par le flux de polypropylène isotactique. Macromolécules 42, 5728–5740 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Watanabe, K. et al. Mécanisme d'accélération des taux de croissance sous flux de cisaillement dû à la fonte orientée - La nouvelle morphologie du cristal en spirale (spiralite). Macromolécules 39, 1515–1524 (2006).

Article ADS CAS Google Scholar

Van, MJ, Peters, GW et Hütter, M. Vers une classification rhéologique des expériences de cristallisation induite par l'écoulement de polymères fondus. Rhéol. Acta 44, 119-134 (2004).

Article Google Scholar

Ebrahimi, T. et al. Mélanges binaires d'étoiles intriquées et de poly (hydroxybutyrate) linéaire : effet de la libération des contraintes et de la dilatation dynamique du tube. Macromolécules 50, 2535–2546 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Fujita, M. et al. Morphologie et dégradation enzymatique d'un film mince orienté de poly [(R)-3-hydroxybutyrate] de poids moléculaire ultra élevé. Biomacromol 5, 1787–1791 (2004).

Article CAS Google Scholar

Kida, T. et al. Effet des chaînes moléculaires de poids moléculaire ultra élevé sur la morphologie, la cristallisation et les propriétés mécaniques du polypropylène. Polymères 13, 4222 (2021).

Article CAS Google Scholar

Janchai, K., Kida, T., Inoue, T., Iwasaki, S. & Yamaguchi, M. Comportement de cristallisation du polypropylène isotactique contenant un agent de nucléation fibreux dans un champ d'écoulement. Polym. J. 54, 367-375 (2022).

Article CAS Google Scholar

Yamaguchi, M. Fabrication de polyesters haute performance à base de biomasse par approche rhéologique. Handb. Compos. Renouveler. Mater. Dés. Fab. 2, 25 (2017).

CAS Google Scholar

Mills, N. Élasticité des fondus de polydiméthylsiloxane. Nature 219, 1249-1250 (1968).

Article ADS CAS Google Scholar

Sawada, T., Qiao, X. & Watanabe, H. Rhéologie des liquides polymères enchevêtrés : images et problèmes moléculaires actuels. J. Soc. Rhéol. 3, 1–14 (2003).

Google Scholar

Auhl, D., Ramirez, J., Likhtman, AE, Chambon, P. & Fernyhough, C. Comportement d'écoulement de cisaillement linéaire et non linéaire de polyisoprène monodispersé fondu avec une large gamme de poids moléculaires. J. Rheol. 52, 801–835 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Liao, Q., Noda, I. & Frank, CW Viscoélasticité à l'état fondu de copolymères biodégradables de poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate). Polymère 50, 6139–6148 (2009).

Article CAS Google Scholar

Ebrahimi, T., Aluthge, DC, Hatzikiriakos, SG et Mehrkhodavandi, P. Catalyseurs de zinc chiraux hautement actifs pour la polymérisation immortelle de la β-butyrolactone sous forme de poly (hydroxybutyrate) riche en syndio pouvant être traité à l'état fondu. Macromolécules 49, 8812–8824 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Harrison, GM & Melik, DH Application de la cinétique de dégradation à la rhéologie des poly(hydroxyalcanoates). J. Appl. Polym. Sci. 102, 1794–1802 (2006).

Article CAS Google Scholar

Xu, P. et al. Conditions critiques déterminées par la rhéologie pour la cristallisation induite par cisaillement de polyhydroxyalcanoates biosynthétisés. Int. J. Biol. Macromol. 147, 1301-1308 (2020).

Article CAS Google Scholar

Hamad, FG, Colby, RH & Milner, ST Début de la cinétique de cristallisation induite par le flux de polypropylène hautement isotactique. Macromolécules 48, 3725–3738 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Télécharger les références

Une partie de cette étude est basée sur les résultats d'un projet, JPNP18016, commandé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).

École des sciences des matériaux, Japan Advanced Institute of Science and Technology, 1-1 Asahidai, Nomi, Ishikawa, 923-1292, Japon

Khunanya Janchai, Takumitsu Kida et Masayuki Yamaguchi

Green Planet Technology Laboratories, Kaneka Corporation, 5-1-1 Torikainishi, Settu, Osaka, 566-0072, Japon

Takenobu Sunagawa et Tetsuo Okura

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Conservation des données et enquête, KJ ; Méthodologie, KJ et TK ; Rédaction du brouillon original, KJ ; Échantillons, TS et TO ; Révision et édition de la rédaction, TK et MY Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Khunanya Janchai ou Masayuki Yamaguchi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Janchai, K., Kida, T., Yamaguchi, M. et al. Conditions de traitement optimales pour la vitesse de cristallisation maximale du poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate). Sci Rep 13, 497 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27595-3

Télécharger la citation

Reçu : 24 octobre 2022

Accepté : 04 janvier 2023

Publié: 10 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-27595-3

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.