The Plasticization Effect of Hydroxylated Palm Stearin Plasticizer (HPS) Towards High-Density Polyethylene (HDPE) Via Compression Moulding

De wereld is overspoeld met plastic, een materiaal dat wordt gevierd om zijn duurzaamheid maar bekritiseerd wordt om zijn hardnekkigheid. Veel van dit plastic afval komt van eenmalige artikelen die kort worden gebruikt en daarna worden weggegooid, waardoor stortplaatsen overbelast raken en ecosystemen vervuild raken. Als reactie hierop zoeken wetenschappers voortdurend naar manieren om deze materialen hanteerbaarder te maken, ofwel door ze sneller af te breken of door nieuwe manieren te vinden om ze te verwerken met behulp van hernieuwbare bronnen. Een veelbelovende weg houdt in dat de chemische samenstelling van veelvoorkomende plastics aanpassingen ondergaat om ze gemakkelijker werkbaar te maken of om bio-gebaseerde ingrediënten te introduceren die uiteindelijk kunnen helpen het materiaal af te breken. De kern van deze inspanning is het concept van een weekmaker, een stof die aan een hard plastic wordt toegevoegd om het zachter en flexibeler te maken, vergelijkbaar met het toevoegen van olie aan deeg om het makkelijker kneedbaar te maken. Hoewel synthetische weekmakers lang de standaard waren, richten onderzoekers zich steeds vaker op plantaardige alternatieven om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en het milieubelang van deze materialen te verbeteren.

In een recente studie onderzochten onderzoekers van de Universiti Teknologi MARA in Maleisië een specifieke plantaardige oplossing voor een van de meest gebruikte plastics van dit moment: hoogdens polyethyleen, of HDPE. Dit is het taaie, stijve plastic dat wordt gebruikt voor alles van melkflessen tot wasmiddelflessen. Het team onderzocht een nieuw, chemisch gemodificeerd ingrediënt afgeleid van palmolie, bekend als gehydroxyleerde palmstearine, of HPS. Hun doel was om te zien of deze natuurlijke stof kon dienen als een effectieve weekmaker voor HDPE, waardoor de manier waarop het plastic stroomt wanneer het gesmolten en gevormd wordt, wordt verbeterd, zonder de essentiële sterkte te vernietigen. Door verschillende hoeveelheden van dit palmolie-derivaat in het plastic te mengen, wilden de onderzoekers een bio-hybride materiaal creëren dat gemakkelijker te produceren en potentieel milieuvriendelijker is, terwijl de nuttige eigenschappen die HDPE zo breed gebruikt maken, behouden blijven.

De onderzoekers begonnen door vaste korrels HDPE te nemen en het HPS-poeder te mengen in een machine die het mengsel verhit en roert totdat het een uniform, gesmolten mengsel wordt. Ze testten drie verschillende recepten, waarbij ze 10, 20 en 30 procent van het palmolie-derivaat toevoegden per gewicht. Zodra het HPS werd geïntroduceerd, daalde de weerstand van de machine drastisch. Hoe meer palmolie-derivaat ze toevoegden, hoe gemakkelijker het werd om het materiaal te mengen. In het mengsel met de hoogste hoeveelheid HPS viel de inspanning die nodig was om het plastic te mengen met bijna 80 procent vergeleken met het pure plastic. Dit gaf aan dat het plantaardige ingrediënt er succesvol tussen de lange ketens van de plasticmoleculen glipte, waardoor ze gemakkelijker langs elkaar konden glijden. Deze vermindering van de weerstand betekende dat het materiaal veel gemakkelijker en minder energie-intensief te verwerken zou zijn in een fabrieksinstelling.

Deze toegenomen verwerkingsgemak ging echter gepaard met een compromis in sterkte. Wanneer de onderzoekers de gegoten plastic strips uit elkaar trokken om hun duurzaamheid te testen, ontdekten ze dat het materiaal zwakker werd naarmate er meer HPS werd toegevoegd. Het pure HDPE kon een aanzienlijke hoeveelheid kracht weerstaan voordat het brak, maar het mengsel met 30 procent HPS verloor bijna de helft van die sterkte. Het materiaal werd ook minder rekbaar; terwijl het pure plastic bijna vijf keer zijn oorspronkelijke lengte kon strekken voordat het knapte, strekte het mengsel met de meeste HPS zich uit tot minder dan een derde van die afstand. Bij het nauwkeurig bekijken van de gebroken oppervlakken onder een krachtige microscoop, zagen het team dat het pure plastic een strakke, compacte structuur had. In tegen plaats vertoonden de mengsels met HPS kleine donkere gaatjes of holtes, wat suggereerde dat de twee materialen niet volledig versmolten tot één naadloze substantie. Deze openingen, samen met de grotere ruimte tussen de plastic ketens, verklaarden waarom het materiaal zachter werd en minder goed in staat was om zware lasten te dragen.

De studie onderzocht ook hoe het plastic zich gedroeg onder hitte. Wanneer het werd verhit, smolt het pure HDPE op een specifieke temperatuur, maar de toevoeging van HPS verlaagde dit smeltpunt enigszins, waardoor het materiaal bij een lagere temperatuur klaar was om te worden gevormd. Interessant genoeg leek het plantaardige ingrediënt de plastic te stimuleren om bij een iets hogere temperatuur zijn vaste kristalstructuur te beginnen vormen terwijl het afkoelde. Ondanks deze verschuivingen bleef de totale hoeveelheid kristalstructuur binnen het plastic grotendeels gelijk, wat betekent dat de fundamentele aard van de HDPE behouden bleef terwijl het werd verzacht. De hittebestendigheid van het materiaal kreeg echter wel een klap. Het pure plastic kon temperaturen tot boven de 400 graden Celsius weerstaan voordat het begon af te breken, maar het mengsel met de meeste HPS begon te degraderen bij een veel lagere temperatuur, een daling van meer dan 100 graden. Dit suggereert dat hoewel het nieuwe ingrediënt het plastic gemakkelijker smeltbaar en vormbaar maakt, het het eindproduct ook gevoeliger maakt voor hoge hitte.

Ten slotte gebruikten de onderzoekers een techniek die analyseert welk licht door het materiaal wordt geabsorbeerd om te controleren op eventuele chemische reacties tussen de HDPE en het palmolie-derivaat. De resultaten toonden aan dat er geen nieuwe chemische verbindingen werden gevormd; de twee stoffen zaten simpelweg naast elkaar en werkten fysiek samen in plaats van chemisch. Dit bevestigde dat het HPS als een echte weekmaker werkte, door de plastic ketens fysiek te scheiden in plaats van ze chemisch te veranderen. De studie concludeert dat gehydroxyleerde palmstearine een levensvatbare, bio-gebaseerde optie is om HDPE gemakkelijker te verwerken, wat de energie die nodig is om het plastic te smelten en te mengen aanzienlijk vermindert. Hoewel het het materiaal verzwakt en de hittebestendigheid vermindert, bieden de bevindingen een duidelijk pad naar het creëren van meer duurzame plastic mengsels, mits toekomstig werk een manier kan vinden om de menging van het plantaardige ingrediënt met het synthetische plastic te verbeteren om de sterkte te behouden.