PBAT はどのような分解性ポリマーと混合できますか?

ポリブチレンテレフタレート（PBAT）は、長鎖脂肪族炭化水素の柔軟性と芳香族環の剛性を兼ね備えた鎖セグメントを有する、新しいタイプの完全生分解性脂肪族芳香族コポリエステルであり、優れた柔軟性を備えています。その結果、PBATは生分解性プラスチック研究において最も活発な分解性材料の一つとなり、市場への応用も進んでいます。しかし、分子鎖中に芳香族PBT鎖セグメントが存在するため、分解速度は比較的遅くなります。また、結晶性が低く粘度が高いため、接着しやすいという問題もあります。さらに、この材料は比較的高価であるため、市場開発と応用が制限されています。そのため、コストを削減し、高性能な生分解性プラスチックを得るためには、PBATの改質を検討する必要があります。PBATと生分解性ポリマーを混合することは、PBATの分解性に影響を与えることなく他の特性を向上させることができる実績のある改質方法であり、一部の生分解性ポリマーはPBATの分解速度を向上させることもできます。

-PLAと混合したPBAT-

ポリ乳酸（PLA）は、最も研究が進み、商業的にも成功を収めている生分解性材料の一つです。優れた光沢性とバリア性を備えていますが、硬くて靭性が低く、柔軟性と弾力性に欠けるという欠点があります。そのため、高靭性PBATをPLAに混合することで、PLAの靭性を向上させるだけでなく、PBATの分解速度を加速することができます。

PLA を添加すると、PBAT の結晶特性に影響を与えずにブレンドの引張強度が大幅に向上し、溶融粘度が増加すると加工および成形中の PBAT フィルムの安定性が向上することが判明しました。

PBATとPLAは非相溶性システムであるため、現在、両者の相溶性を向上させ、より優れた機械的特性を持つブレンドを生み出すための研究が進められています。例えば、グリシジルメタクリレート（GMA）を質量分率3％～5％で配合すると、PLA/PBATブレンドの衝撃強度をそれぞれ26.5％と51.7％に向上させ、PBATのPLA中への分散性を向上させることができます。さらに、鎖延長剤を添加することで、両者間の界面張力を大幅に低減することができ、PBAT/PLAフィルムの延性を大幅に向上させることができます。また、多官能性可塑剤とコンデンサーを添加することで、PBAT/PLAブレンドに良好な静電容量と可塑効果をもたらし、加工特性を向上させることができます。

-PBATとPPCをブレンド-

ポリプロピレンカーボネート（PPC）は環境に優しいプラスチック産業廃棄物の二酸化炭素とプロピレンオキシドを交互共重合することで作られるPPCは、分解性と優れた耐透過性を備えています。しかし、非晶質材料であり、ガラス転移温度は30～40℃と低く、低温靭性、高温寸法安定性の悪さ、製膜の難しさなどの欠点があります。PPCとPBATを混合することで、PPCの加工性が向上するだけでなく、PBATの総合的な性能も向上し、結果として得られる複合材料は、使い捨て食品包装や医療材料などにおいて大きな発展の余地を持つでしょう。

ブレンド系中のPPC成分は非晶質であるため、PBAT/PPC複合フィルムの微結晶サイズは小さくなります。PPCの配合により、複合フィルムの引張強度とガスバリア性が大幅に向上するとともに、マトリックスの生分解性も確保されます。さらに、PPCとPBATの存在は、ブレンドの熱安定性、結晶化度、および機械特性を効果的に向上させます。PPCが質量比10%の場合でも、ブレンドの結晶化温度は37.5℃から66.8℃に上昇し、インフレーションフィルムの成形プロセスを容易にします。

PBATは結晶性ポリマーであり、大きな極性分子鎖を有するため、PPCとの相溶性に問題があります。鎖延長剤であるトリフェニルメタントリイソシアネートの導入により、PBAT/PPCフィルムの縦方向および横方向の引張強度と引裂強度が大幅に向上しました。また、開繊剤であるモノグリセリドステアレートの導入により、ブロー成形時のフィルムの安定性も向上しました。さらに、PPCとPBATのブレンドに増量剤であるエチレンメチルアクリレート-グリシジルメタクリレート（EMA-GMA）を添加することで、ブロー成形フィルムの加工安定性と品質が向上するだけでなく、機械特性、酸素バリア性、紫外線遮蔽性も効果的に向上します。

-PBATとPBSの混合-

ポリブチレンサクシネート（PBS）は、既存の生分解性プラスチックの中で最も加工性に優れ、優れた機械特性を有しています。しかし、粘度が低いため溶融強度が低く、ブロー成形や鋳造成形に適さず、製品には脆さが伴います。そのため、PBATとPBSを改質したブレンドを使用することで、両者の利点を組み合わせ、これらの欠点を補うことができ、包装材、食器、農業用フィルム、バイオメディカル材料などの分野への応用が可能です。

一般的に、PBAT/PBSブレンドにおけるPBS含有量は高すぎず、約25%が適切です。PBAT/PBSブレンドは、PBSの質量分率が25%のときに高い引張弾性率と高い破断伸びを示すことが分かっています。一方、PBS含有量が高すぎると、製品は非常に脆くなります。

-PBATとPHBVの混合-

ポリ(ペンチルヒドロキシ酪酸)（PHBV）は、微生物が蓄積する炭素源とエネルギーを用いて発酵によって合成される、天然再生可能原料を原料とするバイオマテリアルであり、優れた生分解性と生体適合性を備えています。しかし、熱安定性や結晶化特性が低いという欠点も抱えています。そのため、PBATと混合することで、PHBVの結晶特性が向上し、加工性や応用性が向上します。

PHBV と PBAT のブレンドは、より優れた加工性とフィルム特性を示し、フィルムの機械的特性は市販の食品包装フィルムと一致し、破断時のひずみは最大 750% です。

-PGA配合PBAT-

ポリグリコール酸（PGA）はPLAと同様の分子構造と性能特性を有しますが、分解性とバリア性に優れています。原料コストが低いだけでなく、高い引張強度と高い熱たわみ温度といった利点も備えています。そのため、PBATのブレンド改質にPGAを選択することは、耐熱食器、生分解性フィルムバッグ、バリア包装などの使い捨て製品分野への応用に大きな可能性を秘めています。

PGA質量分率20%のPBAT/PGA複合材料は、引張強度25MPa、破断伸び600%以上を有し、フィルム製品の製造に使用できることがわかっています。PGA質量分率80%のPBAT/PGA複合材料は、熱たわみ温度が120°Cで靭性が向上し、使い捨て食器の製造に使用できます。同時に、PGAを添加すると、PBAT/PGA複合フィルムの水蒸気バリア性能が大幅に向上します。

PLAと同様に、PGAとPBATの相溶性は低いため、系の分散性を向上させるために適切な相溶化剤を選択する必要があります。例えば、4,4'-イリデンビス（イソシアナトフェニル）（MDI）は、PBAT/PGA複合材料をその場でキャパシテートするために使用できます。MDIとの反応が成功した結果、ブレンドの界面接着力が大幅に向上し、衝撃強度が9.0 kJ/m2から22.2 kJ/m2へと大幅に向上しました。また、結晶化度と球状結晶のサイズが減少し、複合材料の靭性と熱安定性が向上しました。

-PBATとPVBのブレンド-

ポリビニルブチラール（PVB）は、ポリビニルアルコールとn-ブチルアルデヒドの酸触媒縮合反応によって得られる生成物であり、そのリサイクル端材には一定量の可塑剤が含まれています。PVBはその分子構造により、高い引張強度、耐衝撃性、高い透明性、柔軟性、そして分解性を兼ね備えています。PVBは端材リサイクル材として大量に安価に入手できるため、改質材として選択することで大きな開発上のメリットが得られます。PVBの低濃度はPBATの結晶化温度を高め、コンデンサー用イオノマーとPVBの相乗効果により、PBAT/PVBの相溶性と機械特性が向上します。