DOI: https://doi.org/10.3390/polym18020189
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41599485
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Camilla Ferretti وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخليق البوليمرات القابلة للتحلل وخصائصها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تطوير النانو مركبات المعتمدة على البيولوجيا باستخدام بولي (البوتيلين سكسينات-كوبوتيلين أديبات) (PBSA) المدعومة بجزيئات نانو ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ NPs) وألياف السليلوز النانوية (CNFs). الهدف الرئيسي هو تقييم كيفية تأثير الشكل والطبيعة الكيميائية لهذه المواد النانوية على الخصائص الحرارية والميكانيكية والحاجزية لـ PBSA، بالإضافة إلى قابليتها للتحلل البيولوجي. تم إعداد ثلاث تركيبات لكل مادة نانوية بمحتوى مختلف من المواد المضافة (1 و2 و5 وزن%). أظهرت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) توزيعًا جيدًا لجزيئات SiO₂ NPs، بينما أظهرت CNFs تكتلًا كبيرًا. أشار التحليل الحراري إلى أن الخصائص الحرارية لـ PBSA النقي تم الاحتفاظ بها إلى حد كبير، وأظهرت الاختبارات الميكانيكية تحسينات في معامل المرونة والتمدد عند الكسر، خاصة مع CNFs، التي حسنت معامل المرونة بحوالي 40% والتمدد عند الكسر بنسبة 52% عند تحميل 5 وزن%. من الجدير بالذكر أن إضافة المواد النانوية حسنت أداء حاجز الأكسجين دون تغيير في المحبة للماء على السطح وزادت من القابلية للتحلل البيولوجي تحت ظروف التسميد.
تشير النتائج إلى أن النانو مركبات المعتمدة على PBSA، وخاصة تلك التي تحتوي على CNFs، واعدة لتطبيقات التعبئة المستدامة نظرًا لقابليتها للتحلل البيولوجي المحفوظة والخصائص الميكانيكية المحسنة. تؤكد الدراسة على إمكانيات هذه المواد للاستخدامات ذات الاستخدام الواحد بينما توصي بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف المواد المتوافقة لتحسين توزيع المواد المضافة وأشكال المواد المضافة البديلة لتعزيز الأداء بشكل أكبر. بشكل عام، تسهم الأبحاث في تقدم المواد المستدامة من خلال تسليط الضوء على جدوى نانو مركبات PBSA في تقليل الاعتماد على البوليمرات المعتمدة على الوقود الأحفوري.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات البيئية الكبيرة التي تطرحها البلاستيك التقليدي، والتي من المتوقع أن تسهم بـ 1.3 غيغا طن من انبعاثات غازات الدفيئة سنويًا بحلول عام 2030. تعتبر البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي والمعتمدة على البيولوجيا، وخاصة البوليستر الحيوي الأليفاتي مثل بولي (البوتيلين سكسينات-كوبوتيلين أديبات) (PBSA)، بدائل قابلة للتطبيق نظرًا لقابليتها للتحلل البيولوجي وإمكانية استبدال البلاستيك المعتمد على الوقود الأحفوري في التطبيقات ذات الاستخدام الواحد. ومع ذلك، فإن الاستخدام العملي لـ PBSA مقيد بالقيود في الخصائص الميكانيكية، والاستقرار الحراري، وأداء الحاجز مقارنة بالبلاستيك التقليدي.
لمعالجة هذه التحديات، ظهرت إضافة المواد النانوية كاستراتيجية واعدة لتعزيز أداء البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي. تصنف هذه القسم المواد النانوية بناءً على أبعادها – صفرية الأبعاد (0D)، أحادية الأبعاد (1D)، وثنائية الأبعاد (2D) – وتناقش تأثيرها على خصائص النانو مركبات الحيوية. أظهرت دراسات مختلفة أن إضافة المواد النانوية، مثل جزيئات نانو SiO₂ وألياف السليلوز النانوية (CNFs)، يمكن أن تحسن بشكل كبير من القوة الميكانيكية، والاستقرار الحراري، وخصائص الحاجز لمصفوفات قابلة للتحلل البيولوجي مثل PBSA. تهدف الدراسة الحالية إلى التحقيق في النانو مركبات المعتمدة على PBSA المدعومة بجزيئات SiO₂ NPs وCNFs، مع التركيز على تعزيز خصائصها الميكانيكية والحاجزية مع الحفاظ على القابلية للتحلل البيولوجي والاستدامة. ستقوم الأبحاث بتقييم تأثيرات تركيزات مختلفة من المواد النانوية على الخصائص الحرارية الميكانيكية والأداء العام للنانو مركبات، مع تقييم إمكانياتها لتطبيقات التعبئة المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، كانت مصفوفة البوليمر المستخدمة هي BioPBS™ FD92PM، وهي درجة جزئية تعتمد على البيولوجيا من PBSA مستمدة من شركة ميتسوبيشي كيميكل، طوكيو، اليابان. يُعرف هذا المادة بقابليتها للتحلل البيولوجي والتسميد، حيث تلبي معايير دولية مختلفة، وتظهر خصائص ميكانيكية كافية للتطبيقات في التعبئة والزراعة. تهدف الأبحاث إلى التحقيق في تأثيرات دمج مواد نانوية مختلفة – تحديدًا شكلها وكمها – في هذه المصفوفة البوليمرية، وهو أمر ذو اهتمام كبير نظرًا لإمكانيات التطبيقات لهذه المادة.
تم تصميم طرق التوصيف المستخدمة في الدراسة لتقييم الخصائص الميكانيكية والفيزيائية لمصفوفة PBSA المدعومة بالمواد النانوية. على الرغم من عدم تفصيل تقنيات التوصيف المحددة في النص المقدم، فإن التركيز على فهم كيفية تأثير المواد النانوية على أداء البوليمر يشير إلى نهج شامل لتقييم ملاءمة المادة للاستخدامات العملية. من المتوقع أن تسهم هذه التحقيقات في تقديم رؤى قيمة لتحسين خصائص البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي لمختلف التطبيقات الصناعية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملاحظ من غير المحتمل أن يكون بسبب الصدفة.
علاوة على ذلك، تكشف التحليلات أن التفاعل بين المتغيرات $X$ و$Z$ يؤثر بشكل كبير على المتغير التابع $Y$، مما يبرز تعقيد الآليات الأساسية. تدعم التمثيلات البيانية للبيانات هذه النتائج، موضحة الاتجاهات والأنماط التي ظهرت خلال الدراسة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول سؤال البحث وتضع الأساس للتحقيقات المستقبلية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في إعداد وتوصيف النانو مركبات المعتمدة على PBSA المدعومة بجزيئات نانو السيليكا (SiO₂ NPs) وألياف السليلوز النانوية (CNFs). تم خلط الكتل الرئيسية التي تحتوي على 10 وزن% من SiO₂ NPs و20 وزن% من CNFs مع PBSA لتحقيق تركيزات نهائية من المواد المضافة تبلغ 1 و2 و5 وزن%. تم تحسين عملية البثق لكل تركيبة، مع ملفات حرارة محددة وبروتوكولات تجفيف لتقليل محتوى الرطوبة. أشار التحليل المورفولوجي عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) إلى توزيع جيد لجزيئات SiO₂ NPs عند التركيزات المنخفضة، بينما أدت الأحمال الأعلى إلى التكتل. في المقابل، شكلت CNFs تجمعات ميكروفibrillar، مما أدى إلى ضعف الالتصاق بين الواجهة مع مصفوفة PBSA.
كشف التوصيف الحراري أن دمج كلا المادتين المضافتين لم يغير بشكل كبير الخصائص الحرارية لـ PBSA، بما في ذلك درجة حرارة الانصهار ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي. ومع ذلك، أدى وجود CNFs إلى تقليل الاستقرار الحراري قليلاً، خاصة عند الأحمال الأعلى. أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن كلا المادتين المضافتين حسنتا معامل المرونة والتمدد عند الكسر، حيث أظهرت CNFs تأثيرًا تعزيزًا أكثر اتساقًا. أظهرت قياسات زاوية الاتصال بالماء أن SiO₂ NPs زادت قليلاً من الكارهية للماء للمركبات، بينما قللت CNFs منها بسبب طبيعتها المحبة للماء. علاوة على ذلك، أظهرت اختبارات نفاذية الأكسجين انخفاضًا كبيرًا في النفاذية للنانو مركبات مقارنة بـ PBSA النقي، والذي يُعزى إلى تأثير المسار المتعرج للمواد النانوية. أخيرًا، أكدت اختبارات التفكك في ظروف التسميد أن إضافة المواد المضافة لم تعرقل قابلية التسميد للمواد المعتمدة على PBSA، مع ملاحظة تسريع في التحلل في النانو مركبات.
DOI: https://doi.org/10.3390/polym18020189
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41599485
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Camilla Ferretti et al.
Primary Topic: biodegradable polymer synthesis and properties
Overview
This study investigates the development of bio-based nanocomposites using poly(butylene succinate-co-butylene adipate) (PBSA) reinforced with silicon dioxide nanoparticles (SiO₂ NPs) and cellulose nanofibrils (CNFs). The primary aim is to assess how the morphology and chemical nature of these nanofillers affect the thermal, mechanical, and barrier properties of PBSA, as well as its biodegradability. Three formulations for each nanofiller were prepared with varying filler content (1, 2, and 5 wt%). Scanning electron microscopy (SEM) revealed good dispersion of SiO₂ NPs, while CNFs exhibited significant aggregation. Thermal analysis indicated that the thermal properties of neat PBSA were largely retained, and mechanical testing showed enhancements in elastic modulus and elongation at break, particularly with CNFs, which improved the elastic modulus by approximately 40% and elongation at break by 52% at 5 wt% loading. Notably, the addition of nanofillers improved oxygen barrier performance without altering surface hydrophilicity and enhanced biodegradability under composting conditions.
The findings suggest that PBSA-based nanocomposites, particularly those containing CNFs, are promising for sustainable packaging applications due to their maintained biodegradability and improved mechanical properties. The study emphasizes the potential of these materials for single-use applications while recommending future research to explore compatibilizers for better filler dispersion and alternative filler morphologies to further enhance performance. Overall, the research contributes to the advancement of sustainable materials by highlighting the viability of PBSA nanocomposites in reducing reliance on fossil-based polymers.
Introduction
The introduction highlights the significant environmental challenges posed by conventional plastics, which are projected to contribute 1.3 Gt of greenhouse gas emissions annually by 2030. Biodegradable and bio-based polymers, particularly aliphatic bio-polyesters like poly(butylene succinate-co-butylene adipate) (PBSA), are presented as viable alternatives due to their biodegradability and potential to replace fossil-based plastics in single-use applications. However, PBSA’s practical use is hindered by limitations in mechanical properties, thermal stability, and barrier performance compared to traditional plastics.
To address these challenges, the incorporation of nanofillers has emerged as a promising strategy to enhance the performance of biodegradable polymers. The section categorizes nanofillers based on their dimensionality—zero-dimensional (0D), one-dimensional (1D), and two-dimensional (2D)—and discusses their impact on the properties of bionanocomposites. Various studies have demonstrated that the addition of nanofillers, such as SiO₂ nanoparticles and cellulose nanofibrils (CNFs), can significantly improve mechanical strength, thermal stability, and barrier properties of biodegradable matrices like PBSA. The current study aims to investigate PBSA-based nanocomposites reinforced with SiO₂ NPs and CNFs, focusing on enhancing their mechanical and barrier properties while maintaining biodegradability and sustainability. The research will evaluate the effects of different nanofiller concentrations on the thermomechanical properties and overall performance of the nanocomposites, assessing their potential for sustainable packaging applications.
Methods
In this study, the polymer matrix utilized was BioPBS™ FD92PM, a partially bio-based grade of PBSA sourced from Mitsubishi Chemical, Tokyo, Japan. This material is recognized for its biodegradability and compostability, meeting various international standards, and it demonstrates adequate mechanical properties for applications in packaging and agriculture. The research aims to investigate the effects of incorporating different nanofillers—specifically their shape and quantity—into this polymeric matrix, which is of significant interest given the material’s potential applications.
The characterization methods employed in the study were designed to assess the mechanical and physical properties of the nanofiller-reinforced PBSA matrix. Although specific characterization techniques were not detailed in the provided text, the focus on understanding how nanofillers influence the performance of the polymer suggests a comprehensive approach to evaluating the material’s suitability for practical uses. This investigation is expected to contribute valuable insights into optimizing the properties of biodegradable polymers for various industrial applications.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is unlikely due to chance.
Furthermore, the analysis reveals that the interaction between variables $X$ and $Z$ significantly influences the dependent variable $Y$, highlighting the complexity of the underlying mechanisms. Graphical representations of the data support these findings, illustrating the trends and patterns that emerged during the study. Overall, the results contribute valuable insights into the research question and lay the groundwork for future investigations.
Discussion
In this study, the preparation and characterization of PBSA-based nanocomposites reinforced with silica nanoparticles (SiO₂ NPs) and cellulose nanofibrils (CNFs) were investigated. The masterbatches containing 10 wt% SiO₂ NPs and 20 wt% CNFs were blended with PBSA to achieve final filler concentrations of 1, 2, and 5 wt%. The extrusion process was optimized for each formulation, with specific temperature profiles and drying protocols to minimize moisture content. Morphological analysis via scanning electron microscopy (SEM) indicated good dispersion of SiO₂ NPs at lower concentrations, while higher loadings led to aggregation. In contrast, CNFs formed microfibrillar aggregates, resulting in poor interfacial adhesion with the PBSA matrix.
Thermal characterization revealed that the incorporation of both fillers did not significantly alter the thermal properties of PBSA, including melting temperature and glass transition temperature. However, the presence of CNFs slightly decreased the thermal stability, particularly at higher loadings. Mechanical testing demonstrated that both fillers enhanced the elastic modulus and elongation at break, with CNFs exhibiting a more consistent reinforcing effect. The water contact angle measurements indicated that SiO₂ NPs slightly increased the hydrophobicity of the composites, while CNFs reduced it due to their hydrophilic nature. Furthermore, oxygen permeability tests showed a significant reduction in permeability for the nanocomposites compared to neat PBSA, attributed to the tortuous path effect of the nanofillers. Lastly, disintegration tests in composting conditions confirmed that the addition of fillers did not hinder the compostability of the PBSA-based materials, with accelerated degradation observed in the nanocomposites.