นวัตกรรม พลาสติกเพื่อสิ่งแวดล้อมจากพืช
นักวิจัยมก.ประสบความสำเร็จในการเตรียมฟิล์มพลาสติกจากพืช หวังขยายผลสู่เชิงพาณิชย์ นำไปใช้ประโยชน์เป็นฟิล์มบริโภคได้ (edible film) สำหรับอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์อาหาร
ถุงพลาสติกเป็นบรรจุภัณฑ์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน การผลิตถุงพลาสติกสามารถทำได้โดยกระบวนการอัดรีดฟิล์มเป่า (blown film extrusion) ซึ่งพลาสติกที่นิยมนำมาเป่าเป็นฟิล์มเพื่อผลิตเป็นถุง ได้แก่ พอลิเอทิลีน (polyethylene, PE) และพอลิพรอพิลีน (polypropylene, PP) ซึ่งสังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของมอโนเมอร์ที่มีแหล่งกำเนิดมาจากอุตสาหกรรมปิโตรเลียมที่นับวันมีปริมาณลดลงเรื่อยๆ นอกจากนี้พลาสติกทั่วไปดังกล่าวยังไม่สามารถแตกสลายได้โดยจุลชีพในธรรมชาติ ส่งผลให้เกิดการตกค้างของขยะพลาสติกในสภาวะแวดล้อม
การแทนที่หรือทดแทนพลาสติกทั่วไปด้วยพลาสติกชีวฐาน (bio-based plastics) หรือพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพ (biodegradable plastics) นับว่าเป็นทางเลือกหนึ่งที่มีศักยภาพในการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมข้างต้น พลาสติกชีวฐานและพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพส่วนใหญ่สามารถแตกสลายได้เองในธรรมชาติ จึงไม่ก่อให้เกิดการตกค้างของขยะพลาสติก
มารู้จัก พลาสติกชีวฐาน และพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพ กันก่อน
พลาสติกชีวฐาน (bio-based plastics) เป็นพลาสติกที่มาจากสิ่งมีชีวิต เช่น พืชและสัตว์ ซึ่งเป็นวัตถุดิบหมุนเวียนหรือสามารถหาใหม่ทดแทนได้ พลาสติกชีวฐานสามารถแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มหลัก คือ
- กลุ่มที่มาจากพืชและสัตว์โดยตรง เช่น เทอร์โมพลาสติกสตาร์ช (thermoplastic starch, TPS) และพลาสติกจากโปรตีน เป็นต้น
- กลุ่มที่มาจากการสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของมอโนเมอร์ที่ได้จากกระบวนการหมักวัตถุดิบที่มีแป้งและน้ำตาลเป็นองค์ประกอบหลัก เช่น พอลิแลคติกแอซิด (polylactic acid, PLA)
- กลุ่มที่สังเคราะห์ได้โดยตรงจากแบคทีเรีย เช่น พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอท (polyhydroxy alkanoates, PHAs)
ดังนั้นลักษณะเด่นของพลาสติกชีวฐานคือมาจากธรรมชาติ ไม่เป็นพิษ ย่อยสลายได้โดยการฝังกลบและโดยการกระทำของจุลินทรีย์ และหาใหม่ทดแทนได้ ซึ่งแตกต่างจากพลาสติกที่มีแหล่งกำเนิดจากอุตสาหกรรมปิโตรเคมี
สำหรับพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพ(biodegradable plastics) อาจมาจากสิ่งมีชีวิต (พลาสติกชีวฐาน) หรือมาจากการสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของมอโนเมอร์ฐานปิโตรเลียม โดยพลาสติกสังเคราะห์กลุ่มหลังต้องสามารถแตกสลายได้ทางชีวภาพ ตัวอย่างของพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพที่มาจากการสังเคราะห์ เช่น พอลิบิวทิลีนอะดิเปต-โค-เทเรฟทาเรท (polybutylene adipate-co-terephthalate, PBAT) และพอลิบิวทิลีนซัคซิเนต (polybutylene succinate, PBS) เป็นต้น
นวัตกรรม การผลิตวัสดุฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช โดยกระบวนการอัดรีดฟิล์มเป่า
Blown film extrusion of (a) TPS and (b) TPS/CTS
อนุภาคไคโตซาน (Chitosan,CTS)
ประเทศไทยเป็นประเทศเกษตรกรรมที่มีความหลากหลายของพืชเศรษฐกิจ เช่น ข้าว ข้าวโพด มันสาปะหลัง และถั่วต่างๆ พืชเหล่านี้มีแป้งเป็นองค์ประกอบหลัก และเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช ซึ่งโดยปกติ แป้งไม่สามารถขึ้นรูปได้โดยกระบวนการทางความร้อนเหมือนกับพลาสติกทั่วไปได้ เนื่องจากแป้งมีลักษณะไหม้หรือเสื่อมสลายก่อนที่จะหลอม ดังนั้นการพัฒนาแป้งเป็นเทอร์โมพลาสติกหรือให้สามารถขึ้นรูปได้โดยกระบวนการทางความร้อนสามารถทำได้โดยการผสมแป้งที่อยู่ในรูปฟลาวร์หรือสตาร์ชกับพลาสติไซเซอร์ เช่น น้ำ ซอร์บิทอล กลีเซอรอล และ/หรือเอทิลีนไกลคอล เป็นต้น พร้อมกับให้ความร้อน ความดัน และแรงเฉือน เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างกึ่งผลึกของแป้งให้เป็นโครงสร้างอสัณฐาน ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า เทอร์โมพลาสติกฟลาวร์ (thermoplastic flour, TPF) หรือ เทอร์โมพลาสติกสตาร์ช (thermoplastic starch , TPS) ซึ่งสามารถขึ้นรูปได้โดยกระบวนการเดียวกันกับพลาสติกทั่วไป
เช่น กระบวนการอัดรีดชีท (sheet extrusion) กระบวนการฉีดเข้าแม่พิพม์ (injection molding) กระบวนการเทอร์โมฟอร์ม (thermoforming) รวมทั้งกระบวนการอัดรีดฟิล์มเป่า (blown film extrusion) ถึงแม้ว่าเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชสามารถเป่าขึ้นรูปเป็นฟิล์มได้ แต่การใช้งานของฟิล์มพลาสติกชนิดนี้ยังคงจำกัด ทั้งนี้เนื่องจากฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชไม่เสถียรในสิ่งแวดล้อม กล่าวคือ ดูดซับความชื้น/ไอน้ำค่อนข้างสูง ส่งผลให้สมบัติเชิงกลด้อยลงตามลำดับ
ผศ.ดร.รังรอง ยกส้าน จากภาควิชาเทคโนโลยีการบรรจุและวัสดุ คณะอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้ทำการวิจัยและพัฒนา การผสมเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชกับพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพชนิดอื่นที่มีความเป็นไฮโดรโฟบิกสูงกว่าหรือมีความไม่ชอบน้ำมากกว่า (เช่น PLA และ PBAT) เป็นวิธีการหนึ่งที่จะทาให้ได้วัสดุที่สามารถแตกสลายทางชีวภาพได้อย่างสมบูรณ์และส่งเสริมการใช้งานอย่างเป็นรูปธรรมของฟิล์มฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช นอกจากนั้นการผสมเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชกับพลาสติกชนิดอื่นดังกล่าว และยังช่วยปรับปรุงสมบัติการแตกสลายได้ทางชีวภาพและลดต้นทุนการผลิตของเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชนั้นอีกด้วย งานวิจัยดังกล่าวประกอบด้วยการศึกษาการเตรียมวัสดุฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชโดยกระบวนการอัดรีด ศึกษาการขึ้นรูปฟิล์มของวัสดุฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชโดยกระบวนการอัดรีดฟิล์มเป่า และการศึกษาคุณลักษณะและสมบัติต่างๆของวัสดุฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช ได้แก่ ความสามารถในการหลอมไหล สัณฐานวิทยา รูปแบบโครงสร้างผลึกระดับความเป็นผลึก ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างโมเลกุลของสตาร์ชและความสามารถในการขึ้นรูปฟิล์มเป่า รวมทั้งสมบัติทางความร้อน สมบัติเชิงกล การดูดซับความชื้น และอิทธิพลของอุณหภูมิ ความเร็วรอบต่อความสามารถในการขึ้นรูปฟิล์มและสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่ได้ เพื่อให้ได้ฟิล์มเป่าฐานเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชที่มีราคาแข่งขันกันได้และมีสมบัติเทียบเท่ากับฟิล์มเป่าของพลาสติกแตกสลายได้ทางชีวภาพเชิงพาณิชย์
ผลการวิจัยประสบความสำเร็จในการปรับปรุงความสามารถในการอัดรีดฟิล์มเป่าและสมบัติของฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช โดยการเติมไคโตซานปริมาณในช่วง 0.5-2 ส่วนต่อหนึ่งร้อยส่วนของแป้ง ได้ทราบอิทธิพลของไคโตซานต่อลักษณะปรากฏ สมบัติทางความร้อน สมบัติเชิงกลในโหมดแรงดึง และการซึมผ่านของไอน้ำของฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช รวมทั้งพบว่าโมเลกุลไคโตซานและแป้งสามารถเกิดอันตรกิริยาผ่านพันธะไฮโดรเจน ซึ่งยืนยันได้จากการลดลงของปริมาณผลึกชนิดวี ถึงแม้ว่าการเติมไคโตซานส่งผลให้ความสามารถในการดึงยืดของฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชลดลง มีสีเหลืองเข้มขึ้น และทึบแสงมากขึ้น แต่ฟิล์มแสดงค่าความต้านทานแรงดึง ความแข็ง ความเสถียรทางความร้อน และการดูดซับรังสียูวีเพิ่มขึ้น อีกทั้งสมบัติการกันการซึมผ่านของไอน้ำก็เพิ่มขึ้นด้วยการดูดซับน้ำและความเหนอะที่พื้นผิวลดลง
ผลงานวิจัย ผลิตภัณฑ์ฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชเติมแต่งด้วยไคโตซาน ที่เตรียมได้มีศักยภาพที่จะนำไปใช้ประโยชน์เป็นฟิล์มบริโภคได้ (edible film) สำหรับอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์อาหารประเภทต่างๆ ดังนั้นการพัฒนาสูตรและเทคโนโลยีการผลิตฟิล์มเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชเติมแต่งด้วยไคโตซานมีความเป็นไปได้เชิงพาณิชย์สูง เนื่องจากสามารถใช้เครื่องจักร/เทคโนโลยีในการขึ้นรูปเช่นเดียวกันกับเทอร์โมพลาสติกทั่วไป นอกจากนี้ฟิล์มดังกล่าวยังจัดได้ว่าเป็นผลิตภัณฑ์ที่มาจากธรรมชาติและสามารถแตกสลายได้ทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์อีกด้วย