Μορφολογικός, δομικός, θερμικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός πολυμερικών συστημάτων και νανοσύνθετων βασισμένων σε μείγματα PLA/PCL

• Κύριος συγγραφέας: Σταυροπούλου, Βασιλική Μαρία
• Άλλοι συγγραφείς: Stavropoulou, Vasiliki Maria
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Βιοπολυμερή; Πολυγαλακτικό οξύ; Πολυκαπρολακτόνη; Μείγματα πολυμερών; Νανοσύνθετα; Νανοσωλήνες αλλοϋσίτη; Διηλεκτρική φασματοσκοπία; Διαφορική θερμοδομετρία σάρωσης; Περίθλαση ακτίνων Χ; Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης; Biopolymers; Polylactic acid (PLA); Polycaprolactone (PCL); Halloysite nanotubes (HNTs); Polymer blends; Nanocomposites; Broadband dielectric spectroscopy (BDS); Differential scanning calorimetry (DSC); X-ray diffraction (XRD); Scanning electron microscopy (SEM)

Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη των μορφολογικών, δομικών, θερμικών, μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων μειγμάτων πολυγαλακτικού οξέος (PLA) και πολυκαπρολακτόνης (PCL), όπως επίσης και βιονανοσύνθετων των μειγμάτων PLA/PCL με νανοσωλήνες αλλοϋσίτη (HNTs) ως έγκλεισμα. Το πολυγαλακτικό οξύ αποτελεί ένα βιοπολυμερές που έχει προσελκύσει το επιστημονικό ενδιαφέρον, χάρη στην καλή βιοαποικοδομησιμότητά του, τις καλές μηχανικές του ιδιότητες και το χαμηλό κόστος παραγωγής, που το καθιστούν το καταλληλότερο υλικό ως αντικαταστάτη των παραδοσιακών πολυμερών που παράγονται από το πετρέλαιο. Εντούτοις, ορισμένα μειονεκτήματα, όπως η χαμηλή θερμοσταθερότητά του, και η μεγάλη ψαθυρότητά του, περιορίζουν τις πρακτικές εφαρμογές του. Για το λόγο αυτό, έχει εξεταστεί η ανάμειξη του PLA με άλλα πολυμερή. Προς αυτήν την κατεύθυνση, η πολυκαπρολακτόνη θεωρείται κατάλληλη επιλογή, δεδομένου ότι είναι βιοσυμβατή, αναμείξιμη με αρκετά πολυμερή, δρα ως πλαστικοποιητής και μπορεί να αξιοποιηθεί σε μεγάλο εύρος εφαρμογών, κυρίως στον τομέα της μηχανικής ιστών, στη στοχευμένη μεταφορά φαρμάκων (drug delivery) και στη συσκευασία τροφίμων. Όσον αφορά στους νανοσωλήνες αλλοϋσίτη, επιλέχθηκαν ως νανοεγκλείσματα, καθώς έχουν την ικανότητα να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής μήτρας και μπορεί να είναι φορείς βιολογικά ενεργών ουσιών. Στην παρούσα εργασία, παρασκευάστηκαν μείγματα PLA/PCL σε ποσοστά 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 και 50/50 wt%, αλλά και νανοσύνθετα του PLA/PCL (80/20) με HNTs σε συγκεντρώσεις 1, 3, 5, 7 και 10 wt%. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκε εργαστηριακός δικόχλιος συνεξωθητής (twin-screw extruder). Τα δείγματα που μελετήθηκαν ήταν σε μορφή λεπτών films και προετοιμάστηκαν σε θερμοπρέσσα, στους 185 °C για 5 min, ενώ στη συνέχεια εμβαπτίστηκαν σε λουτρό υγρού αζώτου με αποτέλεσμα τη διατήρηση της άμορφης φάσης των δειγμάτων . Ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων, πραγματοποιήθηκε με Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (Scanning Electron Microscope, SEM). Παρατηρείται πλήρης διαχωρισμός φάσεων των δύο πολυμερών, ενώ παρατηρήθηκε και η καλή διασπορά των νανοεγκλεισμάτων στη μήτρα. Η κρυσταλλική δομή των μειγμάτων και των νανοσύνθετων μελετήθηκε με τη μέθοδο της Περίθλασης Ακτίνων-Χ (X-Ray Diffraction, XRD). Για το χαρακτηρισμό της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών, έλαβαν επίσης χώρα πειράματα δοκιμών εφελκυσμού, τα οποία έδειξαν την ψαθυρότητα των μειγμάτων και την ενίσχυση της μηχανικών ιδιοτήτων τους με την προσθήκη των HNTs. Επιπλέον, διεξήχθησαν πειράματα Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC), κατά τη διάρκεια των οποίων, τα δείγματα θερμάνθηκαν από τους 0 °C έως τους 200 °C με ρυθμό 10 °C/min. Σκοπός των πειραμάτων αυτών ήταν να προσδιοριστεί το πλήθος των θερμικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στα μείγματα και στα νανοσύνθετα, αλλά και το θερμοκρασιακό εύρος στο οποίο καταγράφονται αυτές. Τοιουτοτρόπως, αποκαλύφθηκε η μικρή αναμειξιμότητα των PLA και PCL, όπως επίσης και η μικρή επίδραση των νανοεγκλεισμάτων στη θερμική συμπεριφορά των μειγμάτων. Επίσης, έγιναν και πειράματα TMDSC (Temperature-Modulated Differential Scanning Calorimetry), με τα οποία ήταν δυνατός ο διαχωρισμός του αντιστρεπτού από το μη αντιστρεπτό κομμάτι του σήματος της ολικής ροής θερμότητας και η αποσαφήνιση της φύσης ορισμένων θερμικών γεγονότων. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων ολοκληρώθηκε με τη μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους, ο οποίος πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy, BDS). Ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων έλαβαν χώρα για κάθε δείγμα, σε εύρος θερμοκρασιών από -80 °C έως 140 °C και σε συχνότητες από 0.1 Hz έως 1 MHz. Με την τεχνική αυτή, παρατηρήθηκαν οι διάφοροι μηχανισμοί χαλάρωσης που καταγράφονται στα μείγματα και τα νανοσύνθετα. Συγκεκριμένα, τα τρισδιάστατα διαγράμματα του φανταστικού μέρους του ηλεκτρικού μέτρου συναρτήσει της θερμοκρασίας και της συχνότητας αποκάλυψαν την ύπαρξη ενός μεγάλου αριθμού χαλαρώσεων, που περιλαμβάνουν τη γ- και α- χαλάρωση της PCL, τη β- και α- χαλάρωση του PLA, αλλά και τρεις ακόμα μηχανισμούς που αποδίδονται σε φαινόμενα διεπιφανειακής πόλωσης ή DC αγωγιμότητας. Για πιο διεξοδική μελέτη αυτών των διεργασιών, έγιναν συγκριτικά ισόθερμα και ισόχρονα διαγράμματα σε δύο χαρακτηριστικές θερμοκρασίες και συχνότητες, αντίστοιχα, ώστε να αναδειχθούν καθαρά οι συγκεκριμένοι μηχανισμοί. Τέλος, τα διαγράμματα Arrhenius αξιοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της δυναμικής των μηχανισμών αυτών, καθώς και της εξάρτησής τους από την περιεκτικότητα σε PCL και HNTs. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας είναι επαρκή για την ανάδειξη των δυνατοτήτων της ανάμειξης βιοπολυμερών και της σημασίας περαιτέρω έρευνας στον τομέα αυτό. Επομένως, στόχος της μελέτης αυτής, είναι (i) να αναζητήσει μεθόδους βελτίωσης της αναμειξιμότητας των βιοπολυμερών και (ii) να καταδείξει την σύνθετη εικόνα των διηλεκτρικών ιδιοτήτων των δυαδικών συστημάτων PLA και PCL και των νανοσύνθετών τους.