Příprava polymerních směsí s kontrolovanou dobou životnosti a testování jejich biorozložitelnosti

Bc. Martin Seidl

Master's thesis

Preparation of polymer mixtures with controlled lifetime and investigation of their biodegradability

Abstract:

Diplomová práce se zabývala možnostmi přípravy polymerních materiálů na bázi kyseliny polymléčné (PLA) s kontrolovanou dobou životnosti a následným sledováním rychlosti rozkladu v abiotickém a biotickém prostředí. Určité doby životnosti materiálu může být dosaženo aditivem na bázi karbodiimidu, které přednostně reaguje s molekuly vody pronikající do polymeru, čímž zabraňuje hydrolytickému štěpení esterových vazeb v PLA. V rámci práce byly připraveny fólie ze směsí PLA a zmíněného aditiva o různých koncentracích, charakterizovány jejich fyzikální a mechanické vlastnosti a následně sledován průběh a mechanismus abiotické hydrolýzy a biodegradace v prostředí kompostu. V průběhu abiotické degradace byl také zkoumán mechanismus stabilizace PLA. Identické materiály bez aditiva byly použity jako referenční materiál. Tepelné vlastnosti a krystalinita připravených materiálů před a během hydrolýzy stejně tak jako změna molekulových hmotností byly sledovány pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) a gelové permeační chromatografie (GPC), respektive. Mechanismus stabilizace byl sledován a vyhodnocen pomocí infračervené spektrometrie (FTIR - ATR). Získané výsledky ukazují, že přídavek antihydrolyzačního aditiva na bázi karbodiimidu k PLA významně zpomalil rozklad PLA ve všech testovaných degradačních procesech. Konkrétně byl zaznamenán velmi silný stabilizační účinek ve směsi s nejvyšší koncentrací karbodiimidu (2 hm. %), která zcela potlačila hydrolýzu po dobu 119 dní. Naproti tomu u čistého nestabilizovaného PLA byl počátek degradace zřejmý už po 7 dnech od začátku experimentu a po 112 dnech experimentu dosáhl téměř 70 %. Stejných stabilizačních účinků bylo dosaženo v případě biodegradace v prostředí kompostu. Stabilizační účinek se projevil také na zachování mechanických vlastností jako je pevnost v tahu. Měření FTIR spekter během hydrolýzy prokázalo stabilizační efekt karbodiimidu, kdy s reakcí s vodou dochází k tvorbě amidových skupin.

Abstract:

This master thesis deals with the possibility of the preparation of polymeric materials based on polylactic acid (PLA) with controlled lifetime, and subsequent investigation of the rate of decomposition in abiotic and biotic environment. Certain life time of the material can be achieved by an additives based on carbodiimide which preferentially reacts with molecules of water penetrating into the polymer, thereby preventing the hydrolytic cleavage of ester bonds in the PLA. In this work, mixtures of PLA and carbodiimide additive in various concentration were prepared, then their physical and mechanical properties were characterized, and finally the course and mechanism of abiotic hydrolysis and biodegradation in the compost environment was observed. Stabilization mechanism of PLA was also investigated during the abiotic degradation. Identical materials without additives were used as reference material. The thermal properties and crystallinity of the prepared materials before and during hydrolysis as well as the changes in molecular weight were monitored by differential scanning calorimetry (DSC) and gel permeation chromatography (GPC), respectively. Stabilization mechanism was monitored and evaluated by infrared spectroscopy (FTIR - ATR). Obtained results showed that the addition of anti-hydrolysis carbodiimide based additive decreased the rate of PLA degradation significantly in all tested degradation processes. Significantly strong stabilizing effect was observed especially in the mixture with the highest concentration of carbodiimide (2 wt.%) that completely suppressed hydrolysis for 119 days. In contrast, for pure unstabilized PLA the onset of hydrolysis was evident already after 7 days from the start of the experiment and reached almost 70% after 112 days of the experiment. The same stability results were obtained in the case of biodegradation in a compost environment. The stabilizing effect was also reflected in maintaining mechanical properties such as tensile strength. Measurement of the infrared spectra during the hydrolysis confirmed a stabilizing effect of carbodiimide, when the reaction with water led to for-mation of amide groups.

Keywords

Hydrolýza, Antihydrolyzační aditiva, Kyselina polymléčná, Biodegradace, Karbodiimidy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2015

Accessible from:: 14. 5. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2015
• Supervisor: Ing. Petr Stloukal, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Master programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Environmental Protection Engineering