CoverLogo (52)

ประดิษฐ์ตัวริเริ่มปฏิกิริยา สู่การผลิตพลาสติกย่อยสลายได้ระดับอุตสาหกรรม

กระแสลดการใช้พลาสติกกำลังตื่นตัวเป็นอย่างมากในปัจจุบัน แต่หากท่านจำเป็นต้องใช้พลาสติก…. พลาสติกย่อยสลายได้ก็เป็นอีกทางหนึ่งที่จะช่วยลดผลกระทบ หรือลดการทำร้ายสิ่งแวดล้อมลงได้บ้าง บทความนี้จะพาทุกท่านไปดูวิธีหนึ่งในการผลิตพลาสติกย่อยสลายได้ ที่อุตสาหกรรมในประเทศไทยอาจนำไปประยุกต์ใช้ต่อได้ในอนาคต

กำหนดสาเหตุเพื่อปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยาให้ใช้ในอุตสาหกรรม

เป็นที่ทราบกันดีว่า ปัญหาของวัสดุพอลิเมอร์ที่ไม่สามารถย่อยสลายและตกค้างอยู่ในธรรมชาติหรือต้องกำจัดด้วยการเผาไหม้ซึ่งจะก่อให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกและเป็นสาเหตุของวิกฤตการณ์โลกร้อน ล้วนแต่เป็นประเด็นปัญหาที่สำคัญที่ทุกประเทศให้ความสำคัญเร่งด่วนที่จะต้องแก้ไข ทางเลือกหนึ่งที่ใช้ในการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้พลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพทดแทนพลาสติกเดิมที่ไม่สามารถย่อยสลายได้

พอลิแลกไทด์ พอลิแลกโทน จัดเป็นพอลิเอสเทอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่เป็นที่นิยมใช้อย่างแพร่หลาย ทั้งในด้านการแพทย์และบรรจุภัณฑ์ ซึ่งการสังเคราะห์พอลิเอสเทอร์ดังกล่าว จำเป็นต้องใช้สารประกอบโลหะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ที่นิยมใช้กันทั่วไปคือโลหะแอลคอกไซด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งดีบุก(II)แอลคอกไซด์(Sn(OR)2 ที่อยู่ในสภาวะของแข็งในการสังเคราะห์พอลิเอสเทอร์ที่มีน้ำหนักสูง แต่อย่างไรก็ตามพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ผ่านระบบริเริ่มปฏิกิริยาดังกล่าวจะต้องผ่านกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อกำจัด Sn(ดีบุก) ออกจากพอลิเมอร์เพราะว่า Sn ที่หลงเหลือในพอลิเมอร์มีความเป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ โดยงานวิจัยนี้ได้เลือกศึกษา พอลิ(แอล-แลกไทด์)(PLL) พอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน)(PCL) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ทางการแพทย์ และพัฒนาระบบริเริ่มปฏิกิริยาดีบุก (II) เอ็นบิวทอกไชด์(Sn(OnBu)2) ที่มีประสิทธิภาพสูงในการสังเคราะห์ PLL และ PCL ซึ่งระบบดังกล่าวพบปัญหาของตัวริเริ่มปฏิกิริยา Sn(OnBu)2 ที่เป็นของเหลวมีเสถียรภาพต่อออกซิเจนและความชื้นต่ำ ทำให้ไม่สะดวกในการใช้งานในทางอุตสาหกรรม มีอายุการใช้งานสั้นส่งผลให้เพิ่มต้นทุนในการผลิตมากขึ้น และที่ความเข้มข้นสูงตัวริเริ่ม Sn(OnBu)2 และยังจับตัวเกาะกลุ่มกันได้ ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง

เป้าหมายของงานวิจัยนี้คือ การแก้ไขปัญหาต่างๆที่ได้กล่าวมาโดยการออกแบบโครงสร้างของตัวริเริ่ม Sn(OnBu)2 ให้มีความเสถียรมากขึ้นโดยอาศัยพื้นฐานของ Living ring opening polymerization โดยจะทำการเปลี่ยนตัวริเริ่ม Sn(OnBu)2 ให้กลายเป็นตัวริเริ่มดีบุก (II) แบบแมคโคร

ตัวริเริ่มดีบุก(II)

งานวิจัยนี้เริ่มต้นจากการสังเคราะห์ ตัวริเริ่มดีบุก(II) แบบแมคโคร สามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่าง แอล-แลกไทด์ (LL) กับตัวริเริ่มดีบุก(II) เอ็น-บิวทอกไซด์(Sn(OnBu)2) ชนิดของเหลว โดยมีกระบวนการสังเคราะห์ดังภาพข้างต้น สามารถได้ตัวริเริ่มแบบแมคโครของดีบุก(II) เอ็น-บิวทอกไซด์/เอปไซ ลอน-คาโพร์แลกโทน (SnCL) และดีบุก(II) เอ็น-บิวทอกไซด์/แอล-แลกไทด์ (SnLL) และทำการทดสอบประสิทธิภาพของตัวริเริ่มทิน(II) แบบแมคโครในการสังเคราะห์พอลิเมอร์ซึ่งเป็นการ ทดสอบความป็นไปได้ในการนําตัวริเริ่มปฏิกิริยาไปใช้ประโยชน์จริงโดยศึกษาสมบัติทางความร้อนโดยให้ความร้อนตัวริเริ่ม ที่ 20-600 0C และได้ทําการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวริเริ่มตัวริเริ่มดีบุก(II) แบบแมคโคร กับตัวริเริ่มที่เป็นที่นิยมใช้โดยทั่วไปได้แก่ (Sn(Oct)2) และ Sn(Oct)2/nBuOH

เมื่อทดสอบสมบัติทางความร้อน พบว่า ตัวริเริ่ม SnLL และ SnCL ที่สังเคราะห์ได้ยังคงมีบริเวณที่ว่องไว (Active site) ของพันธะ Sn-O ที่อุณหภูมิสูง เป็นสิ่งบ่งบอกที่ทำให้ทราบว่า SnLL และ SnCL มีความว่องไวในการริเริ่มปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันได้ ดังนั้นผู้วิจัยคิดว่าน่าจะสามารถใช้ SnLL และ SnCL เป็นตัวริเริ่มชนิดแมคโครสําหรับพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงของแลกไทด์หรือแลกโทนได้ และมีคุณสมบัติทางความร้อนจากผลวิจัยพบเพิ่มเติมว่า ตัวริเริ่ม SnCL แบบแมคโครมีเสถียรภาพทาง ความร้อนมากกว่า SnLL เพราะว่าโครงสร้างของ SnCL แบบแมคโครประกอบไปด้วยหมู่เมทิลีน (Methylene, -CH2-) ในสายโซ่ของตัวริเริ่มทําให้สามารถทนความร้อนได้สูง จึงเป็นการยืนยันได้ว่า สามารถนํา ตัวริเริ่ม SnCL ไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทําปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันที่อุณหภูมิสูง

เมื่อนำSnLL และ SnCL ที่สังเคราะห์ได้ไปสังเคราะห์พอลิเมอร์ ชนิดพอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน) (PCL) พบว่าพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ได้มีน้ำหนักโมเลกุลที่สูงกว่า 5.0×104 จากการใช้ SnLL และ SnCL แบบแมคโครเป็นตัวริเริ่มปฏิกิริยา และเมื่อทำการวิเคราะห์หาเปอร์เซ็นต์ผลผลิตของ PCL บริสุทธิ์ที่สังเคราะห์ได้ พบว่ายตัวริเริ่ม SnLL และ SnCL แบบแมคโครจัดเป็นตัวริเริ่มปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงมาก สามารถใช้ในการผลิตPCL ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงได้ และยังพบว่าว่าตัวริเริ่ม SnLL จะให้ PCL ที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่สูงกว่า SnCL โดย PCL ที่สังเคราะห์ได้มีน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยโดยสูงที่สุดเท่ากับ 6.9×105 และสภาวะที่ใช้ในการสังเคราะห์ให้ค่าเปอร์เซ็นต์ผลผลิตของ PCL อยู่ในช่วง 66 – 94% และหลังจากได้ทำการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวริเริ่ม SnLL และ SnCL ในการสังเคราะห์พอลิ(เอป ไซลอน-คาโพร์แลกโทน) กับ ตัวริเริ่มปฏิกิริยาที่นิยมใช้โดยทั่วไป ได้แก่ (Sn(Oct)2) และ Sn(Oct)2/nBuOH พบว่า การใช้ตัวริเริ่มดังกล่าวให้ค่า %yield ของ พอลิ(แอล-แลกไทด์) และ พอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน) ที่สูงกว่าการใช้ ตัวริเริ่ม SnLL และ SnCL ที่สังเคราะห์ขึ้นได้จากงานวิจัยนี้ เพียงเล็กน้อยเท่านั้น และ มีประสิทธิภาพไม่ด้อยไปกว่าระบบริเริ่มปฏิกิริยาที่นิยมใช้โดยทั่วไป

ข้อดีของตัวริเริ่มดีบุก(II)แบบไมโคร

งานวิจัยนี้ ประสบความสําเร็จในการพัฒนาตัวเริ่มปฏิกิริยาดีบุก(II) แบบแมคโครที่มีประสิทธิภาพสูงในการสังเคราะหสามารถสังเคราะห์พอลิเมอรร์ของพอลิ(แอล-แลกไทด์;PLL) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุดเท่ากับ 8.8×104 และ พอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน;PCL) ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุดเท่ากับ 6.2×105 จึงพบว่า ตัวริเริ่มดีบุก(II) แบบแมคโคร เหมาะสําหรับใช้ใน การสังเคราะห์ PCL ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงได้ดีกว่า พอลิ(แอล-แลกไทด์;PLL) และสามารถควบคุมน้ำหนักโมเลกุล ของ พอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน;PCL) ได้ดีกว่า พอลิ(แอล-แลกไทด์;PLL) ทั้งนี้เพราะตัวริเริ่มดีบุก(II) แบบแมคโครเป็นตัวริเริ่ม ปฏิกิริยาที่ช้า (Slow initiator) ดังนั้นจึงมีความจําเป็นอย่างยิ่งในการใช้อุณหภูมิในการสังเคราะห์พอลิเมอร์ที่สูง และใช้เวลาในการสังเคราะห์นาน ดังนั้นในระบบ การสังเคราะห์พอลิแลกไทด์(PLL)อาจจะไม่เหมาะสมมากนัก เพราะพอลิแลกไทด์(PLL)มีเสถียรภาพทาง ความร้อนที่ต่ำกว่าพอลิแลกโทน(PCL) ดังนั้นอาจจะเกิดการสลายตัวทางความร้อนของพอลิแลกไทด์ ได้ซึ่งจะส่งผลทําให้น้ำหนักโมเลกุลต่ำลงและค้นพบการสังเคราะห์ใช้ตัวริเริ่มดีบุก(II) แบบแมคโคร ที่มีความเสถียรภาพต่อออกซิเจนและความชื้นในอากาศมากขึ้น มีอายุการใช้งานที่ยาวกว่า ตัวริเริ่มดีบุก(II) ที่นิยมใช้ในท้องตลาด และมีความสามารถควบคุมพอลิเมอไรเซซันของไซคลิกเอสเทอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สามารถนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรมได้ง่ายมากขึ้น

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การพัฒนาระบบริเริ่มทิน(II)แบบแมคโครสําหรับการควบคุมการสังเคราะห์พอลิเอสเทอร์น้ำหนักโมเลกุลสูง”

หัวหน้าโครงการ : วาณิช หลิมวานิช
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist