Υδρολυτική αποικοδόμηση πολυ(γαλακτικού οξέος) και χρήση συστημάτων σταθεροποίησης για εφαρμογές μακράς διάρκειας ζωής

Γκουντέλα, Χριστίνα; Gkountela, Christina

dc.contributor.author	Γκουντέλα, Χριστίνα	el
dc.contributor.author	Gkountela, Christina	en
dc.date.accessioned	2018-11-22T11:39:46Z
dc.date.issued	2018-11-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48080
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16105
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ίνες πολυ(γαλακτικού οξέος)	el
dc.subject	Επιταχυνόμενη υδρολυτική αποικοδόμηση	el
dc.subject	Συστήματα σταθεροποίησης	el
dc.subject	Κινητική υδρόλυσης	el
dc.subject	Κινητική κρυστάλλωσης	el
dc.subject	Poly(lactic acid) fibers	en
dc.subject	Accelerated hydrolytic degradation	en
dc.subject	Hydrolytic stabilization systems	en
dc.subject	Hydrolysis kinetics	en
dc.subject	Crystallization kinetics	en
dc.title	Υδρολυτική αποικοδόμηση πολυ(γαλακτικού οξέος) και χρήση συστημάτων σταθεροποίησης για εφαρμογές μακράς διάρκειας ζωής	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Οργανική χημική τεχνολογία	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/6e6f5b300e9c874f2b5befeac1d1a5d8838b582f
heal.dateAvailable	2019-11-21T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-03
heal.abstract	Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, τα βιοδιασπώμενα (biodegradable) πολυμερή έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας λόγω της ικανότητάς τους να αποσυντίθενται μετά την περίοδο χρήσης τους, συνήθως μέσω της δράσης ζωντανών οργανισμών, όπως είναι τα βακτήρια, προς το σχηματισμό φυσικών προϊόντων όπως αέρια (CO2, N2), νερό, βιόμαζα και ανόργανα άλατα. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση που οι πρώτες ύλες από τις οποίες παράγεται ένα πολυμερές είναι ανανεώσιμες, υπάρχει η κατηγορία των πολυμερών τα οποία προέρχονται από ανανεώσιμες πρώτες ύλες (bio-based). Ζητούμενο είναι προφανώς να υπάρχουν υλικά που να συνδυάζουν και τις δυο αυτές ιδιότητες (biodegradable bio-based polymers). Στην κατηγορία αυτή των πολυμερών ανήκει το πολυ(γαλακτικό οξύ) (Polylactic acid ή PLA), ένας βιοδιασπώμενος αλειφατικός πολυεστέρας που μπορεί να παραχθεί μέσω ζύμωσης ανανεώσιμων πόρων όπως το καλαμπόκι, η πατάτα και το ζαχαροκάλαμο. Οι εξαιρετικές του ιδιότητες συνδυαστικά με τον φιλικό προς το περιβάλλον χαρακτήρα του, το καθιστούν ένα υλικό με πολλά υποσχόμενες προοπτικές. Το PLA χρησιμοποιείται ήδη σε μεγάλο βαθμό στον τομέα της συσκευασίας, ωστόσο η χρήση του σε εφαρμογές μακράς διάρκειας ζωής αποτελεί αδιαμφισβήτητα μία πρόκληση. Ειδικότερα, οι ίνες PLA παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μακράς διάρκειας ζωής σε είδη ένδυσης, κλωστοϋφαντουργικές εφαρμογές, είδη οικιακής χρήσης, και καταναλωτικά αγαθά, διατηρώντας παράλληλα την ικανότητά τους να βιοδιασπώνται μετά τον κύκλο χρήσης. Για κάθε εφαρμογή μακράς διάρκειας ζωής, καθοριστικό ρόλο στην απόδοση του υλικού διαδραματίζει η ευαισθησία του PLA έναντι της υδρόλυσης. Ως εκ τούτου, βασικός σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη συστημάτων υδρολυτικής σταθεροποίησης, τα οποία στοχεύουν στην επιβράδυνση της υδρόλυσης των ινών PLA. Πιο αναλυτικά, κατά την εκπόνηση του πειραματικού μέρους της διπλωματικής εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές ποιότητες PLA: ένα άμορφο, ένα ημικρυσταλλικό χαμηλού σημείου τήξης και ένα ημικρυσταλλικό υψηλού σημείου τήξης PLA. Ως προς τα πρόσθετα έναντι της υδρόλυσης, εξετάστηκαν ένα αρωματικό καρβοδιιμίδιο, ένα αρωματικό πολυκαρβοδιιμίδιο και ένα αλειφατικό πολυκαρβοδιιμίδο σε συγκεντρώσεις από 1% έως 3% (w/w). Πειράματα επιταχυνόμενης υδρολυτικής αποικοδόμησης πραγματοποιήθηκαν σε δείγματα με τη μορφή ινών σε συνθήκες θερμοκρασίας 70°C και σχετικής υγρασίας 80% RH, ενώ για λόγους σύγκρισης εξετάστηκαν και δείγματα με τη μορφή πλακιδίων (πάχος 0.6 mm). Η παρακολούθηση της υδρολυτικής αποικοδόμησης των σταθεροποιημένων δειγμάτων PLA έγινε μέσω προσδιορισμού του μέσου-βάρους μοριακού βάρους του πολυμερούς με τη μέθοδο της ιξωδομετρίας αραιού διαλύματος, της συγκέντρωσης των ακραίων καρβοξυλομάδων (COOH) μέσω ποτενσιομετρικής τιτλοδότησης και της απορρόφησης υγρασίας σταθμικά στην περίπτωση των δειγμάτων με τη μορφή πλακιδίων. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός των θερμικών ιδιοτήτων των δειγμάτων μέσω Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Όσον αφορά στο μέρος της επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων, ελέγχθηκε κατ’ αρχήν η αποδοτικότητα των προσθέτων. Οι ίνες ημικρυσταλλικού χαμηλού σημείου τήξεως PLA σταθεροποιήθηκαν αποτελεσματικά με τη χρήση του αρωματικού πολυκαρβοδιιμιδίου, οι ίνες άμορφου PLA σταθεροποιήθηκαν ικανοποιητικά με τη χρήση του αρωματικού καρβοδιιμιδίου και οι ίνες ημικρυσταλλικού χαμηλού σημείου τήξεως σταθεροποιήθηκαν επαρκώς με τη χρήση του αρωματικού καρβοδιιμιδίου αλλά και του αλειφατικού πολυκαρβοδιιμιδίου. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε μελέτη της κινητικής υδρόλυσης των ινών PLA. Ελέγχθηκε η προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων σε κινητικά μοντέλα τα οποία υπακούουν στη θεωρία του Flory και σε μοντέλα δύναμης του χρόνου ώστε σε κάθε περίπτωση να επιλεχθεί το καταλληλότερο μοντέλο και να είναι δυνατή η πρόρρηση της συμπεριφοράς του πολυμερούς κατά τον χρόνο ζωής. Τέλος, παράλληλα με την μελέτη της κινητικής υδρόλυσης, διαπιστώθηκε ότι τα σταθεροποιημένα δείγματα PLA παρουσίαζαν βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες. Έτσι κρίθηκε χρήσιμη η μελέτη της κινητικής κρυστάλλωσης των σταθεροποιημένων δειγμάτων PLA και πιο συγκεκριμένα, η μελέτη της ύπαρξης διπλού ρόλου των προσθέτων, δηλαδή ο ρόλος τους και ως μέσα πυρήνωσης, εκτός από αντιυδρολυτικοί παράγοντες. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε μέσω της διεργασίας της μη-ισοθερμοκρασιακής κρυστάλλωσης και της επεξεργασίας των δεδομένων που προέκυψαν με τη χρήση του μοντέλου Avrami.	el
heal.abstract	Over the course of the last decades, biodegradable polymers have been fully embraced by the scientific community due to their ability to decompose after use, usually by means of the action of living organisms (e.g. bacteria) to the formation of natural products such as gases (CO2, N2), water, biomass and inorganic salts. On the other hand in case the raw materials which form a polymer are renewable, there exists a polymer category deriving from bio-based monomers. In light of the above, materials combing both properties (biodegradable bio-based polymers) are more than welcome.Polylactic acid (hereinafter PLA), a biodegradable aliphatic polyester that can be produced by fermenting renewable resources such as corn, potato and sugarcane, belongs to the aforementioned kind of polymers. Its exceptional properties, along with its environmentally friendly nature, make it a material with promising prospects. PLA is nowadays widely used in the field of packaging, yet its use in long-life applications remains quite challenging. Particularly, polylactic acid fibers (hereinafter PLA fibers) set the standards for a wide range of long-term applications in clothing, textiles, homeware and commodities, while maintaining their biodegradability after use.As regards long-term durable applications, PLA's sensitivity to hydrolysis plays a crucial role in the performance of the material. In view of the above considerations, this diploma thesis aspires to provide an elaborate study pertaining to the hydrolytic stabilization systems, which are meant to delay the hydrolysis of PLA fibers. More specifically, three different PLA grades were used: an amorphous PLA, a semicrystalline low melting point PLA and a semi-crystalline high melting point PLA. Regarding the additives used, three stabilizers were tested, namely an aromatic carbodiimide, an aromatic polycarbodiimide and an aliphatic polycarbodiimide, at concentrations from 1% to 3% (w/w). Accelerated hydrolytic degradation experiments were conducted on samples in form of fibers under temperature conditions of 70 ° C and relative humidity of 80% RH. For comparison purposes, samples in the form of compounds (thickness 0.6 mm) were also examined. The monitoring of the hydrolytic degradation of the stabilized PLA samples was performed by determining the weight-average molecular weight of the polymer by means of the dilute solution viscosity method, the COOH concentration by means of potentiometric titration as well as the moisture uptake in case of samples in compound form. Moreover, the thermal properties of the samples were determined by Differential Scanning Calorimetry (DSC). With respect to the experimental data processing part, a study of the additives in terms of efficiency was initially performed. Semi-crystalline low melting PLA fibers were efficiently stabilized thanks to aromatic polycarbodiimide. The same holds true for amorphous PLA fibers which were stabilized by means of the aromatic carbodiimide and for low melting semicrystalline fibers stabilized by way of the aromatic carbodiimide as well as the aliphatic polycarbodiimide. A study of the kinetic hydrolysis of PLA fibers was then carried out/pursued. The adaptation of experimental data to kinetic models obeying to Flory’s theory and time-force models was inter alia contemplated/considered with a view to selecting the most appropriate model and predicting the polymer’s behavior accordingly during its lifetime.Finally, along with the kinetic hydrolysis analysis, it was found that stabilized PLA samples showed improved thermal properties. This having been said, it was considered useful to examine the kinetic crystallization of stabilized PLA samples and more specifically the dual role of the additive, as both a nucleation and an antihydrating agent. For this study to be conducted, the non-isothermal crystallization process was applied and the Avrami model was then used in order to process the data obtained.	en
heal.advisorName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Παπασπυρίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	140 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true