Μελέτη υποβάθμισης θερμομηχανικών ιδιοτήτων βιοδιασπώμενου πολυμερούς

Abstract

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της υποβάθμισης των θερμομηχανικών ιδιοτήτων του πολυγαλακτικού οξέος (PLA), ως ένα ευρέως διαδεδομένου βιοδιασπώμενου πολυμερούς, καθώς και μια συνοπτική βιβλιογραφική παρουσίαση των κυριότερων σημείων που αφορούν τα βιοδιασπώμενα πολυμερή υλικά γενικά και το πολυγαλακτικό οξύ συγκεκριμένα. Η παρούσα διπλωματική εργασία απαρτίζεται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος που αποτελείται από τα δύο πρώτα κεφάλαια παρουσιάζονται κάποια στοιχεία για τα βιοδιασπώμενα πολυμερή και ειδικά για το πολυγαλακτικό οξύ, όσον αφορά τις εφαρμογές τους, τις ιδιότητες τους, τις επιδράσεις τους στην οικονομία και το περιβάλλον, τη διάσπαση τους, καθώς και τις μελλοντικές προοπτικές που διαφαίνονται από τη χρήση των συγκεκριμένων υλικών. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται οι τρόποι με τους οποίους μελετήθηκε πειραματικά η υποβάθμιση των ιδιοτήτων του πολυγαλακτικού οξέος καθώς και τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που εξάχθηκαν μέσα από τη συγκεκριμένη μελέτη. Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει τέσσερες πειραματικές μεθόδους: (α) Χρωματογραφία μεγέθους αποκλεισμού (SEC), (β) Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), (γ) Καταπόνηση σε εφελκυσμό, (δ) δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA). Η πρώτη πειραματική μέθοδος αφορά την εύρεση του μοριακού βάρους του υλικού καθώς και της κατανομής του πρίν και μετά την επιβολή των συνθηκών γήρανσης. Η δεύτερη μέθοδος αφορά τη μελέτη των θερμικών ιδιοτήτων και την υποβάθμιση τους και πιο συγκεκριμένα των θερμοκρασιών υαλώδους μετάπτωσης και τήξης καθώς και τον βαθμό κρυσταλλικότητας του υλικού για κάθε περίπτωση. Με τη δοκιμή εφελκυσμού μελετάται η επίδραση της γήρανσης στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και τέλος με τη μέθοδο DMA μελετάται η δυναμική απόκριση του υλικού. Η μελέτη της βιοδιάσπασης του PLA πραγματοποιήθηκε επιβάλλοντας συνθήκες υγρασίας 80% σε τρείς διαφορετικές θερμοκρασίες μικρότερες από την Tg του υλικού (20 °C, 40 °C, 50 °C) για διάφορες χρονικές περιόδους. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η διάσπαση του υλικού έχει επιζήμιες επιπτώσεις στο μοριακό βάρος και στην κατανομή του, καθώς και στις μηχανικές και τις φυσικές ιδιότητες του. Η συγκεκριμένη έρευνα αποτελεί τη βάση για τη μελέτη της διάσπασης του PLA σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους και πιο συστηματικά για ρεαλιστικές θερμοκρασίες όπου βρίσκει εφαρμογή το υλικό. Επίσης η μελλοντική έρευνα περικλείει τη μελέτη νανοσύνθετων υλικών με πολυμερική μήτρα από PLA, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των νανοεγκλεισμάτων στις ιδιότητες του υλικού τόσο πρίν όσο και μετά τη γήρανση του.

Aim of this work is the study of the downgrade of the thermomechanical properties of polylactic acid (PLA), as a widely popular biodegradable polymer, as well as a summary bibliographic presentation of the main points that have to do with the biodegradable polymeric materials generally and the polylactic acid distinctly. The present thesis is composed by two parts. At the first one which is composed by the first and the second chapter, some data about the biodegradable polymers and especially for the polylactic acid are presented, as regards their applications, their properties, their impact on the economy and the environment, their degradation, as well as the future outlook by using these materials. At the second part, the methods through which the downgrade of the PLA properties were studied experimentally are presented, as well as the results and the conclusions exported by the present work. The experimental procedure is composed by four experimental methods: (a) Size exclusion chromatography (SEC), (b) Differential scanning calorimetry, (c) Tensile tests, (d) Dynamic mechanical analysis (DMA). The first experimental method has to do with the calculation of the molecular weight of the material as well as its distribution, before and after the ageing process. The second method has to do with the study of the thermal properties and their degradation, specifically the glass transition temperature, the melting temperature and the crystallinity content of the material in any case. By tensile tests we study the impact of the ageing on the mechanical properties of the material, and finally by DMA method, the dynamic response of the material is studied. The biodegradation study of PLA was carried out by exposing the material to relative humidity of 80% RH at three different temperatures, below the Tg (20 °C, 40 °C, 50 °C) at various ageing periods. By the results it was observed that the degradation of the material has detrimental influence at its molecular weight and its distribution, as well as at its mechanical and physical properties. The following research constitutes the base for studying the degradation of PLA at longer periods and more systematically for realistic temperatures under which the material has applications. Moreover, the future research could involve the study of nanocomposites materials with a PLA polymeric matrix, with an aim of investigating the impact of the nanofillers on the material properties, either before or after ageing.