Πειραματική μελέτη μηχανικής συμπεριφοράς σε βιοδασπώμενα πολυμερή ενισυμένα νανοσφαιρίδια

Abstract

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. Καθοριστικός παράγοντας στην πραγματοποίηση αυτής της ιδέας, είναι οι ιδιότητες των υλικών καθώς και η τιμή τους, να είναι ανταγωνιστικές προς τα παραδοσιακά πλαστικά. Στόχος αυτής της εργασίας είναι η πειραματική μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων του πολυγαλακτικού οξέος, ενός βιοδιασπώμενου και βιοπροερχόμενου πολυμερούς αρκετά διαδεδομένου για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, καθώς και μια γενική παρουσίαση των σημαντικότερων εφαρμογών και ιδιοτήτων των βιοδιασπώμενων πολυμερών. Ως εκ τούτου η παρούσα διπλωματική αποτελείται από τρία μέρη. Το πρώτο μέρος αποτελείται από τα δύο πρώτα κεφάλαια. Εδώ γίνεται μία εισαγωγή στη θεωρία των πολυμερών και των βιοδιασπώμενων πολυμερών, όπου περιγράφονται οι ιδιότητές τους, οι εφαρμογές τους και τα οικονομικά στοιχεία τους. Στη συνέχεια, το δεύτερο μέρος της εργασίας, αποτελείται από το τρίτο και τέταρτο κεφάλαιο, όπου γίνεται εκτενής αναφορά στη δομή, τις ιδιότητες, τους τρόπους διάσπασης, τον κύκλο ζωής, τις εφαρμογές και τις δυνατότητες του πολυγαλακτικού οξέος, καθώς επίσης περιγράφονται οι βασικές μέθοδοι θερμικής και μηχανικής ανάλυσης των πολυμερών. Το πέμπτο κεφάλαιο, αποτελεί το τελευταίο μέρος της εργασίας. Στην αρχή του κεφαλαίου περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και ύστερα παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και στοιχεία από διεθνή βιβλιογραφία. Η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων έγινε με δοκιμή θλίψης συνθέτου πολυγαλακτικού οξέος με πυρίτιο και μοντμοριλλονίτη σε περιεκτικότητες 2,3 και 5%. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν σημαντική ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων του νανοσύνθετου υλικού σε σχέση με την πολυμερική μήτρα, με τα νανοσύνθετα πυριτίου να έχουν μια σχετική υπεροχή στην ενίσχυση της τάσης διαρροής, της τάξης του 21%, συγκρινόμενα με τα νανοσύνθετα μοντμοριλλονίτη που ενισχύονται κατά 14%. Αντίστοιχο αποτέλεσμα προκύπτει και για το μέτρο ελαστικότητας καθώς και την τάση θραύσης.

Environmental and financial reasons dictate the use of new generation plastic materials that are produced from renewable sources friendlier to the environment and the human than the ones that are produced using oil. A key factor to help this turnover is the properties and the prices of these new materials to be competitive to the existing ones. With this project we aim to study experimentally the mechanical properties of poly lactic acid, a biodegradable and bio-based polymer which is extensively used for various applications and also perform a general presentation of the most important applications and properties of the biodegradable polymers. This thesis consists of three main parts. At the first part we will find the initial two chapters. An introduction to the polymer and biodegradable materials theory where the main properties are referred along their main applications and main financial data will be made here. The second part of the thesis consists of chapters three and four where an extensive reference is being made on the structure, properties, life-cycle and applications of polylactic acid. Also we present some basic methods of thermal and mechanical analysis of the polymers. The fifth chapter is the final part of this thesis. In the begging we describe the procedure we followed in the lab and then we present the data we came up followed by some main subjects from the relative literature. The test for the mechanical properties was made with the use of compression test of a nanocomposite of poly lactic acid with a nanofiller content of silica and montmorillonite (clay) by 2,3, and 5% by weight. The experiments showed an significant improvement of the mechanical properties of the nanocomposites material comparing to polymeric matrix, with silica nanocomposites have a relative strength in enhancing of the yield stress, order of 21%, compared to montmorillonite nanocomposites supported by 14%. A similar result is made for the modulus of elasticity and the rupture strength.