Studium biodegradace nových polymerních směsí v anaerobním vodném prostředí

Ing. Jitka HUBÁČKOVÁ

Doctoral thesis

Study of the Biodegradation of New Polymer Blends in an Aqueous Anaerobic Environment

Abstract:

Tato disertační práce byla zaměřena na hodnocení nových polymerních směsí na bázi poly-epsilon-kaprolaktonu (PCL), kyseliny poly-beta-hydroxy máselné (PHB), poly (vinyl) alkoholu (PVA) a rozdílných typů polysacharidů a změkčovadel, které byly vyrobeny na dvoušněkovém vytlačovacím zařízení LABtech za podmínek simulujících průmyslovou výrobu plastů. Vzhledem ke skutečnosti, že se většina publikovaných prací zaměřuje na hodnocení biorozložitelnosti materiálů v aerobním prostředí, byla podstatná část této studie věnována posouzení anaerobní biologické rozložitelnosti nových směsí v prostředí anaerobního kalu za mezofilních podmínek. Pro hodnocení anaerobního rozkladu výše uvedených polymerních materiálů byla využita plynově chromatografická analýza vyprodukovaného CH4 a CO2 a měření změn hmotnostních úbytků jednotlivých vzorků. Testy byly rozšířeny o studie změn mechanických, tepelných a morfologických vlastností směsí. Na základě výsledků měření těchto vlastností a rozložitelnosti polymerních směsí lze konstatovat, že nejvhodnější vzorek pro praktické využití je směs o složení 61,8 hm. % PVA, 21 hm. % xanthanu a 17,4 hm. % glycerolu. V další části práce byl u vzorků na bázi PCL a škrobů posuzován vliv typu škrobu, jeho zrnitosti a plastifikace na mechanické vlastnosti a rozložitelnost vzorků při použití anaerobního kalu za mezofilních podmínek. Nejvhodnějším plnivem pro polymerní směsi s PCL se ukázal být škrob z geneticky upravené kukuřice označený Waxy. Bylo prokázáno, že forma a velikost škrobových zrn měly významný vliv na mechanické vlastnosti a biologický rozklad polymerních směsí PCL se škrobem nebo škrobem plastifikovaným glycerolem v anaerobním vodném prostředí. Z výsledků získaných v předložené práci je možné konstatovat, že nové polymerní směsi z praktického hlediska poskytují vyhovující mechanické vlastnosti pro obalové materiály, které pak mohou být použity např. jako mulčovací fólie, jednorázové nádobí, nákupní tašky a sáčky.

Abstract:

This Ph.D. thesis is focused on the evaluation of new polymer blends based on poly-epsilon-caprolactone (PCL), poly-beta-hydroxybutyrate (PHB), polyvinyl alcohol (PVA) and different types of polysaccharides and plasticizers, which had been made using a LABtech twin-screw extruder under conditions simulating industrial production. Due to the fact that most of the titles published so far are focused on assessing the biodegradability of materials in an aerobic environment, the major part of this study deals with assessing the anaerobic biodegradability of the new polymer blends using an anaerobic sludge under mesophilic conditions. To evaluate the anaerobic biodegradation of new polymeric materials, gas chromatographic analysis of produced CH4 and CO2 and measurements of the weight loss of individual samples were used. The experiments were extended by studies focused on the mechanical, thermal and morphological properties of the blends and their changes. Based on the measured properties and the biodegradability of the polymer blends, it can be concluded that the most appropriate sample for practical usage is a mixture of 61.8 wt. % PVA, 21 wt. % Xanthan and 17.4 wt. % Glycerol. The following section of the thesis was focused on assessing samples based on PCL and starch. Namely, the influence of the starch type, its grain size and plasticization on the mechanical properties and biodegradability of the samples in the anaerobic sludge under mesophilic conditions was assessed. Starch obtained from genetically modified maize branded Waxy proved to be the best filler for polymer blends with PCL. It has been confirmed that the type and size of starch grains had a significant influence on the mechanical properties and biodegradation of PCL polymer blends with starch or starch-plasticized glycerol in an aqueous anaerobic environment. Based on the outcomes obtained within this work, it can be stated that the new polymer blends provide satisfactory mechanical properties applicable to a range of packaging materials. Their practical applications include mulching films, single-use cutlery, shopping and plastic bags, etc.

Keywords

Poly-epsilon-kaprolakton (PCL), poly-beta-hydroxy máselná kyselina (PHB), poly (vinyl) alkohol (PVA), škrob, anaerobní rozklad.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2013

Accessible from:: 18. 4. 2013

Thesis defence

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds