Χαρακτηρισμός και μελέτη πράσινων σύνθετων πολυμερών με μικρο-ή νανο-σωματίδια κυτταρίνης

Abstract

The growing global interest in environmental issues has led the scientific community and the industrial sector to seek new materials derived from renewable sources, capable of being incorporated into polymer matrices to enhance their properties and impart a "green" character. Traditional fillers include plant fibers and microcrystalline cellulose, while the most innovative materials are nanocelluloses. The aim of this dissertation is to prepare and study new "green" (nano)composite polymer materials with cellulosic fillers at the micro- and nanoscale, with a focus on their thermal and mechanical properties. Initially, composites were prepared and studied using high-density polyethylene (HDPE) as the matrix and plant fibers (kenaf, hemp, ramie, flax) at concentrations of 10, 20, and 30 wt%. The goal was to comparatively assess the properties each fiber imparts to the matrix. It was found that composites with different plant fibers, and consequently varying cellulose content, showed differences in performance, with the best performance observed in composites with fibers having a higher cellulose content. Next, composites were prepared using linear low-density polyethylene (LLDPE) and microcrystalline cellulose (MCC) at concentrations of 5, 10, 20, and 30 wt%, with maleic anhydride (MA) as a compatibilizer. A set of materials without the compatibilizer was also prepared to study the impact of chemical modification on material properties. The studies showed that the best performance was exhibited by the composites with compatibilized MCC. Subsequently, composites were prepared using poly(butylene succinate) (PBSu) and two types of nanocellulose (at concentrations of 0.5, 1, 2.5, 3.5, and 5 wt%), namely nanocrystalline cellulose (CNC) and nanofibrillated cellulose (CNF), to study the effect of nanofiller geometry on the crystallization of the composite materials and the kinetics of the polymers, thus gaining insight into material interactions and morphology. The effect of different cooling rates on nucleation and crystal growth in PBSu and the nanocomposite samples was investigated using differential scanning calorimetry (DSC), revealing a slightly negative effect of nanocellulosic fillers on melt crystallization. Finally, based on the previous findings, composites were prepared and studied using linear low-density polyethylene (LLDPE) as the polymer matrix, nanocrystalline cellulose (CNC) at concentrations of 0.5, 1, and 2.5 wt%, and maleic anhydride (MA) as a compatibilizer, resulting in improved thermal and mechanical properties of the materials.

Το αυξανόμενο παγκόσμιο ενδιαφέρον για τα περιβαλλοντικά ζητήματα έχει οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα και τη βιομηχανία στην αναζήτηση νέων υλικών από ανανεώσιμες πηγές, που μπορούν να ενσωματωθούν σε πολυμερικές μήτρες προσδίδοντάς τους βελτιωμένες ιδιότητες και "πράσινο" χαρακτήρα. Παραδοσιακά πληρωτικά είναι οι φυτικές ίνες και η μικροκρυσταλλική κυτταρίνη, ενώ τα πιο καινοτόμα υλικά είναι οι νανοκυτταρίνες. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι η παρασκευή και μελέτη νέων "πράσινων" (νανο)σύνθετων πολυμερικών υλικών με κυτταρινικά πληρωτικά σε μικροκλίμακα και νανοκλίμακα, με έμφαση στις θερμικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Αρχικά, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν σύνθετα υλικά με πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) ως μήτρα και φυτικές ίνες (kenaf, hemp, ramie, flax) σε ποσοστά 10, 20 και 30 wt%. Σκοπός ήταν ο συγκριτικός προσδιορισμός των ιδιοτήτων που κάθε ίνα προσδίδει στη μήτρα. Διαπιστώθηκε ότι τα σύνθετα πολυμερή με διαφορετικές φυτικές ίνες, και κατ’ επέκταση διαφορετικό ποσοστό κυτταρίνης, παρουσιάζουν διαφοροποιήσεις, με τη βέλτιστη απόδοση στα σύνθετα πολυμερή με ίνες υψηλότερης περιεκτικότητας σε κυτταρίνη. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά με γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LLDPE) και μικροκρυσταλλική κυτταρίνη (MCC) σε ποσοστά 5, 10, 20 και 30 wt%, χρησιμοποιώντας μηλεϊνικό ανυδρίτη (MA) ως συμβατοποιητή. Παράλληλα, παρασκευάστηκε μια ομάδα υλικών χωρίς συμβατοποιητή, ώστε να μελετηθεί η επίδραση της χημικής τροποποίησης στις ιδιότητες των υλικών. Οι μελέτες έδειξαν ότι η βέλτιστη απόδοση παρουσιάζεται στα σύνθετα υλικά με συμβατοποιημένη MCC. Ακολούθως, παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά με πολύ(ηλεκτρικό βουτυλενεστέρα) (PBSu) και δύο τύπους νανοκυτταρίνης (σε ποσοστά 0.5, 1, 2.5, 3.5 και 5 wt%), τη νανοκρυσταλλική κυτταρίνη (CNC) και τα νανοϊνίδια κυτταρίνης (CNF), για να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας των νανο-πληρωτικών στην κρυστάλλωση των σύνθετων υλικών και την κινητική των πολυμερών, κατανοώντας έτσι τις αλληλεπιδράσεις και τη μορφολογία των υλικών. Η επίδραση διαφορετικών ρυθμών ψύξης στην πυρήνωση και την ανάπτυξη των κρυστάλλων του PBSu και των νανοσύνθετων δειγμάτων εξετάστηκε με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), αποκαλύπτοντας ελαφρώς αρνητική επίδραση των νανο-κυτταρινικών πληρωτικών στην κρυστάλλωση από το τήγμα. Τέλος, βασισμένοι στα προηγούμενα ευρήματα, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν σύνθετα υλικά με πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LLDPE) ως πολυμερική μήτρα, νανοκρυσταλλική κυτταρίνη (CNC) σε ποσοστά 0,5, 1 και 2,5 wt% και μηλεϊνικό ανυδρίτη (MA) ως συμβατοποιητή, επιτυγχάνοντας βελτίωση των θερμικών και μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών.