ช้อนกาแฟพลาสติกชีวภาพชนิดพอลิเอทธิลีนไกลคอล-บล็อก-พอลิแลคติกแอซิด

รองศาสตราจารย์ ดร. ยอดธง ใบมาก และคณะ
หน่วยวิจัยพอลิเมอร์แตกสลายทางชีวภาพได้ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม E-mail address : [email protected]

พลาสติกชีวภาพชนิดพอลิแลคติกแอซิด

พอลิแลคติกแอซิด (polylactic acid) หรือ PLA เป็นพลาสติกชีวภาพที่ได้รับความสนใจทั่วโลก เพราะมีสมบัติหลายอย่างที่สามารถใช้งานทดแทนพลาสติกที่ไม่ย่อยสลาย เช่น พอลิเอทธิลีน พอลิโพรไพรลีน และพอลิสไตรีน ได้ และ PLA สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบหมุนเวียน ได้แก่ ข้าวโพด มันสำปะหลัง และอ้อย เป็นต้น จึงมีต้นทุนด้านวัตถุดิบต่ำกว่าพลาสติกชีวภาพชนิดอื่น และ PLA สามารถย่อยสลายทางชีวภาพ (biodegradable) ได้อย่างสมบูรณ์ วงจรชีวิต (life cycle) ของ PLA แสดงดังรูปข้างล่าง โดยสามารถแบ่งขั้นตอนการผลิต PLA ได้เป็น 3 ขั้นตอนหลัก ได้แก่

– ขั้นต้นน้ำ เป็นการหมัก (fermentation) แป้ง/น้ำตาลเป็นกรดแลคติก (lactic acid)
– ขั้นกลางน้ำ เป็นการสังเคราะห์ PLA โดยทำการเปลี่ยนกรดแลคติกให้กลายเป็นแลคไทด์มอนอเมอร์ (lactide monomer) ก่อนทำการสังเคราะห์ต่อด้วยกระบวนการเกิดพอลิเมอร์แบบเปิดวง (ring-opening polymerization) ได้ผลผลิตเป็น PLA
– ขั้นปลายน้ำ เป็นการผสมสารเติมแต่งต่างๆกับ PLA ก่อนทำการขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์พลาสติกชีวภาพ

โดยผลิตภัณฑ์ PLA สามารถย่อยสลายด้วยน้ำ (hydrolytic degradation) และย่อยสลายด้วยเอนไซม์ต่างๆ (enzymatic breakdown) กลายเป็นกรดแลคติก ซึ่งสามารถถูกย่อยสลายต่อให้กลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำที่พืชใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงต่อไป

สำหรับประเทศไทยมีวัตถุดิบปริมาณมากที่สามารถใช้ผลิตพลาสติกชีวภาพชนิด PLA นี้ได้ แต่ปัจจุบันประเทศไทยยังไม่มีเทคโนโลยีสำหรับการผลิต PLA ในการใช้งานทดแทนพลาสติกใช้งานทั่วไป (commodity plastics) โดยเม็ดพลาสติกชีวภาพชนิด PLA ที่มีการใช้ภายในประเทศไทยนั้นเป็นการนำเข้าจากต่างประเทศ และบางส่วนแม้มีการผลิตภายในประเทศแล้ว แต่เป็นการเข้ามาตั้งโรงงานผลิตโดยบริษัทต่างประเทศซึ่งใช้เทคโนโลยีจากต่างประเทศทั้งสิ้น โดยใช้วัตถุดิบอ้อยและน้ำตาลภายในประเทศไทยแปรรูปและผลิตเป็นพลาสติกชีวภาพชนิด PLA ตั้งแต่ต้นขั้นต้นน้ำจนถึงขั้นปลายน้ำที่มีการผสมสารเติมแต่ง ซึ่งเป็นสินค้าที่มีมูลค่าสูงขึ้น
ดังนั้น จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับนักวิจัยไทยในการสร้างนวัตกรรมเทคโนโลยีในการผลิตพลาสติกชีวภาพชนิด PLA นี้ เพราะประเทศไทยมีวัตถุดิบปริมาณมาก จะเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับสินค้าเกษตรที่เป็นวัตถุดิบ และเพิ่มขีดความสามารถการแข่งขันทางเศรษฐกิจด้านอุตสาหกรรมพลาสติกชีวภาพของประเทศไทย สำหรับมหาวิทยาลัยมหาสารคามได้ทำการวิจัยและพัฒนาสร้างนวัตกรรมเทคโนโลยีการผลิต PLA ในขั้นกลางน้ำและขั้นปลายน้ำ

พลาสติกชีวภาพชนิดพอลิเอทธิลีนไกลคอล-บล็อก-พอลิแลคติกแอซิด 

พอลิแลคติกแอซิด (polylactic acid) หรือ PLA มีข้อด้อยที่สำคัญสำหรับการใช้งาน คือ มีความยืดหยุ่นน้อย เพราะมีค่าอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (glass transition temperature, Tg) ที่สูง (ประมาณ 60oC) และทนความร้อนต่ำ เพราะเกิดผลึกช้า ซึ่งสามารถปรับปรุงข้อด้อยเหล่านี้ได้ด้วยการสังเคราะห์เป็นพอลิเอทธิลีนไกลคอล-บล็อก-พอลิแลคติกแอซิด (polyethylene glycol-b-polylactic acid, PEG-PLA) โดย PEG-PLA มีค่า Tg ประมาณ 30oC และเกิดผลึกได้เร็วกว่า PLA โดยปฎิกิริยาการสังเคราะห์ PEG-PLA แสดงในรูปที่ 1 โดยปริมาณผลึกของผลิตภัณฑ์ทั้ง PLA และ PEG-PLA สามารถทำให้เพิ่มขึ้นได้ด้วยการผสมผงทัลคัม และพอลิดีแลคติกแอซิด ซึ่งทำให้ผลิตภัณฑ์พลาสติกชีวภาพเหล่านี้ทนความร้อนได้มากขึ้น

ช้อนกาแฟพลาสติกชีวภาพชนิดต่างๆภายหลังการขึ้นรูปด้วยเครื่อง injection molding มีลักษณะดังรูปที่ 2 และทำการทดสอบการใช้งานด้วยการแช่ในน้ำร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 80C ซึ่งเป็นน้ำร้อนที่ใช้ชงกาแฟ เป็นเวลาประมาณ 5 นาทีดังรูปที่ 3 จากนั้นนำขึ้นมาถ่ายรูปเปรียบเทียบดังรูปที่ 4 พบว่าช้อนพลาสติกชีวภาพชนิด PLA และ PLA ผสมทัลคัมมีการโค้งงอแสดงว่ามีการเสียรูปร่างเมื่อสัมผัสกับน้ำร้อน จึงไม่เหมาะในการใช้เป็นช้อนกาแฟ ขณะที่ช้อนพลาสติกชีวภาพชนิด PEG-PLA ผสมทัลคัมและ PEG-PLA ผสมพอลิดีแลคติกแอซิดไม่มีการโค้งงอ แสดงว่าสามารถใช้เป็นช้อนกาแฟพลาสติกชีวภาพได้