Μελέτη πολυμερισμού στερεάς κατάστασης (πολυγαλακτικού οξέος)

Abstract

Τα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή και κυρίως το πολυ(γαλακτικό οξύ) αποτελούν το μέλλον στον τομέα των υλικών. Περιβαλλοντικοί και οικονομικοί λόγοι επιτάσσουν τη μεταστροφή από τα ρυπογόνα πλαστικά τα οποία έχουν ως βάση το πετρέλαιο, σε νέα υλικά που θα παράγονται από καθαρά ανανεώσιμες πρώτες ύλες και θα είναι φιλικά τόσο προς το περιβάλλον, όσο και προς την ανθρώπινη ύπαρξη. Για την επίτευξη του στόχου αυτού όμως θα πρέπει τα νέα υλικά να διαθέτουν αφενός παρόμοιες ιδιότητες με τα συμβατικά πολυμερή, ούτως ώστε να μπορούν να ανταπεξέλθουν στις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των προηγμένων κοινωνιών, και αφετέρου μία ανταγωνιστική τιμή που να προσεγγίζει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο αυτή των πετροχημικών πολυμερών.

Στόχος αυτής της εργασίας είναι η μελέτη του μεταπολυμερισμού στερεάς κατάστασης (ΠΣΚ) σε δείγματα πολυ(γαλακτικού οξέος) κατόπιν υδρόλυσης αυτών σε όξινο περιβάλλον. Ειδικότερα, εξετάζεται η συγκεκριμένη τεχνική μεταπολυμερισμού ως μέθοδος για την αύξηση του μοριακού βάρους του συγκεκριμένου πολυμερούς. Παράμετροι της διεργασίας, όπως η θερμοκρασία, ο χρόνος αντίδρασης και το μοριακό βάρος του προπολυμερούς, μελετώνται ως προς την απόδοση του ΠΣΚ καθώς και ως προς τις θερμικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος.

Ως εκ τούτου, η παρούσα διπλωματική εργασία απαρτίζεται από τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας αναφέρονται τα προβλήματα των συμβατικών πολυμερών και η ανάγκη στροφής στα βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή. Γίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της βιοαποικοδόμησης και στην κατάταξη των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών. Τέλος παρουσιάζονται οι τρόποι σύνθεσης, οι ιδιότητες, και οι εφαρμογές των βιοαποικοδομήσιμων πολυμερών και του πολυ(γαλακτικού οξέος). Στο δεύτερο μέρος περιγράφεται η πειραματική διάταξη στην οποία πραγματοποιούνται τα πειράματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, η προετοιμασία, ο πολυμερισμός στερεάς κατάστασης και η ανάλυση των αποτελεσμάτων. Το τρίτο και τελευταίο μέρος περιλαμβάνει τη συσχέτιση των επιμέρους παραμέτρων που μελετώνται με τις εξαρτώμενες μεταβλητές του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, οι διαδικασίες που εκτελούνται πειραματικά περιλαμβάνουν υδρόλυση σε όξινο περιβάλλον, θερμική επεξεργασία των υδρολυμένων δειγμάτων και μεταπολυμερισμό στερεάς κατάστασης με στόχο την αύξηση του μοριακού βάρους. Ο χαρακτηρισμός των προπολυμερών και των προϊόντων περιλαμβάνει ιξωδομετρία διαλύματος, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) και θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) για την αξιολόγηση των θερμικών ιδιοτήτων.

Biodegradable polymers and especially poly(lactic acid) constitute the future of the materials sector. Environmental and economic reasons order the shift from the petroleum based polluting plastics to new materials produced from renewable sources, which are friendly to the environment and the human existence. For the achievement of this target, these new materials must exhibit similar properties with the conventional polymers, so that they can match the rising demands of advanced societies as well as a competitive price very close to petrochemical polymers.

The main objective of this thesis is the study of solid state polymerization (SSP) in poly(lactic acid) samples, which have been hydrolyzed in acidic environment. This technique of polymerization was studied, as a possible viable method for increasing the molecular weight of hydrolysed polymer towards successful recycling. In order to assess the contribution of SSP on the molecular weight of the product and on its thermal properties the following parameters were studied: reaction temperature, reaction time and molecular weight of the prepolymer.

In the first part of the dissertation the problems of the conventional polymers and the need for the transition to biodegradable polymers are mentioned. An introduction is given for the concept of biodegradation and the classification of the biodegradable polymers. Lastly, the synthesis routes, properties, applications, market development for biodegradable polymers and poly(lactic acid) are presented. In the second part includes description of the experimental procedure, followed by the preparation of the samples and polymerization. Analysis of the experimental results follows in Part III. The experimental procedure includes hydrolysis in acidic environment, heat treatment of the hydrolysed samples and SSP in order to increase the molecular weight of the samples. The molecular weight increase and the thermal properties were studied by viscometry tests, differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA).