Μελέτη αξιοποίησης φυσικών αντιοξειδωτικών από υπολείμματα καφέ ως σταθεροποιητές επεξεργασίας κατά τη μηχανική ανακύκλωση του πολυπροπυλενίου

Γαλανοπούλου, Χριστίνα; Galanopoulou, Christina

dc.contributor.author	Γαλανοπούλου, Χριστίνα	el
dc.contributor.author	Galanopoulou, Christina	en
dc.date.accessioned	2024-05-29T06:50:26Z
dc.date.available	2024-05-29T06:50:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59533
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27229
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	Ανακύκλωση	el
dc.subject	Πολυπροπυλένιο	el
dc.subject	Φυσικά αντιοξειδωτικά	el
dc.subject	Ανάτηξη-ανασταθεροποίηση	el
dc.subject	Υπολείμματα καφέ	el
dc.subject	Polypropylene (PP)	en
dc.subject	Spent Coffee Residue	en
dc.subject	Mechanical recycling	en
dc.subject	Natural antioxidants	en
dc.subject	Restabilization	en
dc.title	Μελέτη αξιοποίησης φυσικών αντιοξειδωτικών από υπολείμματα καφέ ως σταθεροποιητές επεξεργασίας κατά τη μηχανική ανακύκλωση του πολυπροπυλενίου	el
dc.title	Study of utilization of natural antioxidants from spent coffee residue as processing stabilizers during mechanical recycling of polypropylene	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πολυμερή	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023
heal.abstract	Στην εποχή μας, η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην αξιοποίηση πράσινων τεχνολογιών για την ανακύκλωση πολυμερικών υλικών και στην αναβάθμιση των προϊόντων της, ώστε να οδηγηθούν σε έναν επιπλέον κύκλο ζωής. Στο πλαίσιο αυτό κυμαίνεται η αντικατάσταση των συνθετικών αντιοξειδωτικών προσθέτων, που χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση των πολυμερών, με φυσικά αντιοξειδωτικά, με στόχο τη μείωση του φαινομένου της μετανάστευσης, που παρατηρείται, και το οποίο ενέχει αρνητικές επιπτώσεις για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Οι αρχές της κυκλικής οικονομίας εξυπηρετούνται σε μεγαλύτερο βαθμό, όταν τα φυσικά αντιοξειδωτικά που χρησιμοποιούνται προέρχονται από υπολειμματικές πηγές, όπως είναι τα υπολείμματα καφέ (Spent Coffee Residue, SCR). Έτσι, ενώ πραγματοποιούνται έρευνες σχετικά με την απομόνωση αντιοξειδωτικών από φυτικές πηγές, ελάχιστες λαμβάνουν χώρα με χρήση υπολειμματικών πηγών για την απομόνωσή τους. Σε αυτήν την κατηγορία, εντάσσεται και η παρούσα ερευνητική εργασία, κατά την οποία απομονώνονται αντιοξειδωτικές ενώσεις από υπόλειμμα καφέ. Το εκχύλισμα αντιοξειδωτικών που απομονώνεται, υπόκειται σε χαρακτηρισμούς ως προς την αντιοξειδωτική του ικανότητα και ως προς μια συνολική εκτίμηση των ενώσεων/συστατικών που την προσδίδουν. Στη συνέχεια, ενσωματώνεται σε ανακυκλωμένο PP μετά τη χρήση (Post-Consumer Recycled PP, PCR-PP), αρχικά, σε συγκέντρωση 4% wt. (masterbatch) και στη συνέχεια, αραιώνεται σε τελική συγκέντρωση 1% wt. (compound) και εξετάζεται αν η αντιοξειδωτική δράση που προσδιορίστηκε στο προηγούμενο στάδιο είναι ικανή να σταθεροποιήσει εκ νέου το πολυμερές. Η επίδοση κατά την ανάτηξη συγκρίνεται με ένα συνθετικό πρωτογενές αντιοξειδωτικό πρόσθετο (Irganox 1010), το οποίο προστίθεται στις ίδιες συγκεντρώσεις στο PCR-PP. Επίσης, η μελέτη της οξειδωτικής υποβάθμισης και της σταθεροποίησης επιτυγχάνεται με ανάτηξη με πολλαπλούς κύκλους εκβολής και αντίστοιχους χαρακτηρισμούς για κάθε κύκλο εκβολής προς εξέταση της χημικής του δομής, των θερμικών ιδιοτήτων και των δεικτών που καθορίζουν την οξειδωτική υποβάθμιση. Επίσης, εξετάζεται και η περίπτωση απευθείας χρήση υπολείμματος καφέ ως αντιοξειδωτικό πρόσθετο, όπου πραγματοποιείται η ίδια πειραματική διαδικασία. Πιο συγκεκριμένα, κατά την απομόνωση του εκχυλίσματος των φυσικών αντιοξειδωτικών βρέθηκε πως το εκχύλισμα έχει υψηλή αντιοξειδωτική δράση αντίστοιχη του συνθετικού αντιοξειδωτικού, ενώ τα αποτελέσματα ήταν παρόμοια με αυτά προηγούμενης διπλωματικής, οπότε η μέθοδος απομόνωσης μπορεί να χαρακτηριστεί επιτυχής και επαναλήψιμη. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η ενσωμάτωση των φυσικών αντιοξειδωτικών προσθέτων στο πολυμερές, τόσο με τη μορφή εκχυλίσματος όσο και ξηρού SCR. Στις περισσότερες θερμικές ιδιότητες, που μελετήθηκαν, οι θερμοκρασίες τήξης, κρυστάλλωσης και αποικοδόμησης ήταν κοντά σε αυτές του συνθετικού αντιοξειδωτικού, ενώ σε σχέση με το μη σταθεροποιημένο η επίδραση ήταν θετική, με τις αντίστοιχες θερμοκρασίες να είναι ελάχιστα αυξημένες. Η αντιοξειδωτική δράση παρατηρήθηκε, καταρχάς, στις τιμές των δεικτών οξειδωτικής υποβάθμισης OOT (Oxidative Onset Temperature) και OIT (Oxidative Induction Time), όπου και στις δύο περιπτώσεις οι τιμές ήταν υψηλότερες σε σχέση με το μη σταθεροποιημένο PCR-PP. Πιο συγκεκριμένα, για το OOT, δηλαδή για τη θερμοκρασία στην οποία ξεκινά η οξειδωτική υποβάθμιση, στο compound με το εκχύλισμα βρέθηκε κατά 50 °C μεγαλύτερη, ενώ στο compound με το ξηρό SCR κατά 26 °C αυξημένη σε σχέση με το μη σταθεροποιημένο PCR-PP. Από την άλλη, ο δείκτης OIT, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να ξεκινήσει η οξειδωτική υποβάθμιση, στο εκχύλισμα ήταν τριπλάσιος και στο ξηρό SCR διπλάσιος, σε σύγκριση με το PCR-PP, στοιχεία που υποδεικνύουν τη θετική συνεισφορά των αντιοξειδωτικών στην καθυστέρηση της οξειδωτικής υποβάθμισης του πολυμερούς. Κατά την ανάτηξη των υλικών, στο μη σταθεροποιημένο PCR-PP, παρατηρήθηκε οξειδωτική υποβάθμιση μέσω θραύσης των αλυσίδων, η οποία οδήγησε σε αύξηση του ρυθμού ροής τήγματος (MFR) κατά 4 g/10 min στον 5ο κύκλο εκβολής. Η σταθεροποίηση του PCR-PP με το εκχύλισμα κατά την ανάτηξη αποτυπώθηκε στην διατήρηση της τιμής MFR, περίπου στα 11.5 g/10 min μετά από πέντε κύκλους εκβολής, ενώ για το ξηρό SCR παρατηρήθηκε σταθεροποίηση στους 3 πρώτους κύκλους στην τιμή 9 g/ 10 min. Παράλληλα, σε κάθε δείγμα που εξετάστηκε, διαπιστώθηκε πως δεν υπάρχει εμφάνιση καρβονυλικών ενώσεων, στοιχείο που υποδηλώνει την έναρξη οξειδωτικών αντιδράσεων. Ακόμη, η οξειδωτική υποβάθμιση φαίνεται πως επιβραδύνεται με την παρουσία του εκχυλίσματος των φυσικών αντιοξειδωτικών σε σχέση με το μη σταθεροποιημένο υλικό, ενώ στο compound με το ξηρό SCR η επιβράδυνση αυτή είναι ακόμη πιο έντονη, καθώς οι αντίστοιχοι χρόνοι OIT είναι αρκετά υψηλότεροι. Αξίζει να αναφερθεί πως στις τιμές OOT και OIT παρουσιάζεται πτώση κατά τη διάρκεια των κύκλων, γεγονός που οφείλεται στην κατανάλωση των αντιοξειδωτικών. Έτσι, μπορεί να θεωρηθεί πως υπάρχει ικανοποιητική προστασία της πολυμερικής μήτρας από την οξειδωτική υποβάθμιση με χρήση φυσικών αντιοξειδωτικών, ενώ η χρήση απευθείας υπολείμματος καφέ, χρήζει περαιτέρω διερεύνηση.	el
heal.abstract	Nowadays, the research is focused on more-ecofriendly technologies for polymer recycling and the upgrading of its products, in order to be led in a new cycle of life. In these terms, belongs the replacement of synthetic antioxidants, that are used for polymer stabilizing, by natural ones, that aim the reduction of migration phenomena, which are observed, and have negative effects on humans and the environment. The principles of circular economy are served better, when the natural antioxidants, that are used, come from residual sources, such as spent coffee residue (SCR). Therefore, despite the fact that many researches for isolation of antioxidants by natural sources are taken place, a small amount of them refers to residual sources. In this category belongs the present research work, in which natural antioxidants are isolated from spent coffee residue. The extract of natural antioxidants, that is isolated, is characterized for its antioxidant capacity and for a general assessment of the chemical structures/compounds that offer it. Then, it is embodied to post-consumer recycled PP after use (PCR-PP), initially, at concentration of 4% wt (masterbatch) and, then, it is diluted at final concentration of 1% wt. (compound) and is examined if the antioxidant activity, that was determined in the previous step, is able to stabilize again the polymer. The embodiment via remelting is compared with a synthetic primary antioxidant additive (Irganox 1010), that is embodied in some concentrations into PCR-PP. Also, the study of oxidative degradation and stabilization is achieved by remelting with multiple cycles of extrusion and characterizations of each cycle of extrusion for examination of its chemical structure, thermal properties and the indices that determine the oxidative degradation. The case of direct use of SCR as antioxidant additive is examined, too, where the same experimental procedure takes place. Specifically, for the isolation of the extract of natural antioxidants was found that the extract has high antioxidant activity, and the results was similar to the results of synthetic antioxidants and the previous diploma thesis, so the method of isolation can be characterized as successful and repeatable. Then, the embodiment of natural antioxidant additives was studied, both as extract and as dried SCR. In most of the thermal properties, that were studied, the melt, crystallization and degradation temperatures were similar to the synthetic antioxidants ones, and in contrast to non-stabilized PCR-PP, the effect was positive, as the values were a little higher. The antioxidant activity, first of all, was observed on oxidative degradation values, OOT (Oxidative Onset Temperature) and OIT (Oxidative Induction Time), where the values for both cases were enough higher than the ones of non-stabilized PCR-PP. Particularly, for OOT, the temperature where the oxidative degradation begins, the index of the compound with the extract of natural antioxidants was 50 °C higher and the index for compound with dried SCR was 26 °C higher than the one of non-stabilized PCR-PP. On the other hand, the OIT, the time that is required in order to begin the oxidative degradation, for the extract was three times and for the dried SCR two times higher than the one of PCR-PP, so it is concluded that these antioxidant additives are able to delay the oxidative degradation. During the remelting of the compounds, an oxidative degradation via chain scission was observed for non-stabilized PCR-PP, that led to an increase of 4 g/1o min on melt flow rate (MFR) at the fifth cycle of extrusion. The stabilization of PCR-PP was pronounced, mostly, in MFR, where for the extract the value was around 11.5 g/10 min after five cycles of extrusion, and for dried SCR, it was observed that the compound was stabilized only for the first three cycles, around the value 9 g/10 min. Moreover, on each sample, that was examined, there were not appeared carbonyl groups, that indicate the start of oxidative reactions. Also, the oxidative degradation seems to be slowed down by the presence of the extract of natural antioxidants in contrast to non-stabilized compound, while at the compound with dried SCR, this deceleration was more intense, because the OIT values were enough higher. It is remarkable the fact that the OOT and OIT have downward trend during the cycles of extrusion, due to the consumption of antioxidants. So, it can be considered that there is sufficient protection of polymeric matrix from oxidative degradation using natural antioxidants, while the direct use of SCR needs further investigation.	en
heal.advisorName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.committeeMemberName	Φιλιππόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Δέτση, Αναστασία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Τεχνολογίας Πολυμερών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	197 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false