Copolimeri statistici di p-vinilfenolo e metilmetacrilato per la compatibilizzazione di miscele polimeriche

I biopolimeri, al centro dell’attenzione del mondo scientifico, non sempre presentano caratteristiche paragonabili a quelle dei polimeri tradizionali quindi una tecnica molto diffusa che si pone l’obiettivo di migliorare le loro proprietà è il blending. Tuttavia, dalla miscelazione due polimeri possono risultare miscibili, parzialmente miscibili o immiscibili. Nel caso in cui fossero immiscibili una pratica comune è quella di aggiungere un compatibilizzante con l’obiettivo di ridurre le tensioni interfacciali, stabilizzare la morfologia e migliorare le proprietà. Nello specifico PLA e PCL, immiscibili tra loro, presentano proprietà notevoli quindi il nostro contributo si inserisce in quest’ambito con l’obiettivo di progettare e sintetizzare nuovi compatibilizzanti, copolimeri statistici, composti da due unità monomeriche diverse da quelle che costituiscono il blend, tuttavia affini ognuna ad una delle due fasi. Al fine di studiare le loro potenziali attività compatibilizzanti i copolimeri sono stati aggiunti al blend PLA/PCL e sono state studiate le proprietà risultanti mediante analisi termiche, strutturali e morfologiche.

Compatibilizzazione di blend di acido poli-lattico/poli-caprolattone mediante copolimeri a blocchi di poli-metilmetacrilato e poli-p-vinilfenolo

La ricerca verso lo sviluppo di materiali nuovi con proprietà ad hoc per determinati scopi è da sempre al centro della comunità scientifica, la cui attenzione attualmente è particolarmente viva per i polimeri. La messa a punto di nuovi polimeri con proprietà differenti e sempre migliori è però molto costosa e dispendiosa in termini di tempistiche, spesso quindi si cerca di ottimizzare quelli già noti grazie anche alla caratteristica dei polimeri di poter formare delle leghe, o blend. Se due polimeri riescono a mescolarsi rendendo indistinguibili le fasi relative ai costituenti allora si ottiene un nuovo materiale con proprietà differenti da quelle delle sue componenti, chiamato blend omogeneo. Molto interessanti sono le leghe polimeriche di acido poli-lattico (PLA) e poli-ε-caprolattone (PCL). Il PLA è un polimero biodegradabile molto versatile dalle buone proprietà meccaniche. Il maggiore limite del PLA è dato, però, proprio dalla sua rigidità strutturale che lo rende anche fragile e poco duttile. Il PCL è un polimero biodegradabile molto flessibile e duttile, per questo è studiato come possibile tenacizzante per il PLA. Il blend PLA/PCL risulta essere eterogeneo e le fasi costituenti si separano. È stata quindi volta l’attenzione agli agenti compatibilizzanti, molecole che aggiunte ad un blend eterogeneo riescono ad aumentare la reciproca miscibilità dei materiali costituenti, formando un materiale omogeneo detto compatibilizzato. I migliori agenti compatibilizzanti sono dei copolimeri a blocchi, in cui un blocco sia miscibile con uno dei componenti polimerici del blend ed il secondo blocco con la restante componente. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sintetizzare possibili agenti compatibilizzanti che siano dei copolimeri costituiti da un blocco di unità ripetenti di metilmetacrilato e da uno di unità di p-vinilfenolo o di un suo derivato e verificarne l’efficacia nel compatibilizzare blend di PLA e PCL.

Nuovi copolimeri triblocco biodegradabili a base di PLA per imballaggi alimentari

Nella presente Tesi si procede alla preparazione e caratterizzazione di nuovi poliesteri alifatici a base di PLLA che offrano garanzie di completa biodegradabilità e presentino caratteristiche chimico/fisiche adeguate ad applicazioni nell’ambito dell’imballaggio alimentare. La modifica chimica del PLLA è stata realizzata per introduzione in catena di segmenti opportunamente sintetizzati che fungono da iniziatori nell’apertura dell’anello di lattide nella ROP. I copolimeri triblocco, poli(lattico)-block-poli(propilene/neopentil glicole succinato) PLLAnP(PS80NS20)m, si differenziano per il diverso rapporto in peso tra i due diversi tipi di blocco, quello hard di PLLA e quello soft di P(PS80NS20). I risultati ottenuti sono di rilevante interesse applicativo: i copolimeri presentano migliorate proprietà meccaniche rispetto al PLLA, una maggiore velocità di biodegradazione, senza che abbia avuto luogo un peggioramento della stabilità termica e delle proprietà barriera, addirittura migliore al gas test O2.

Nuovi copolimeri statistici a base di poli(butilene 2,5-furanoato): effetto della copolimerizzazione sulle proprietà chimico-fisiche, proprietà barriera e compostabilità

In questo lavoro di Tesi Magistrale si sono esaminate le problematiche relative agli impatti ambientali delle materie plastiche, tenendo in considerazione il loro ambito di applicazione. Per quanto riguarda le materie plastiche destinate al packaging alimentare si è visto che uno smaltimento tramite discarica, incenerimento o riciclo non può essere sostenibile sul lungo periodo. Una soluzione può essere lo sviluppo di un materiale che al termine del ciclo di vita possa essere biodegradato tramite compostaggio. Al fine di eliminare la dipendenza di questo materiale plastico dalle risorse fossili, esso deve poter essere ricavato da fonti rinnovabili. Il poli(butilene furanoato) è un buon candidato come materiale plastico per il packaging alimentare, ma possiede scarse caratteristiche di biodegradabilità. Si è quindi realizzato un sistema copolimerico in cui il poli(butilene furanoato) viene statisticamente copolimerizzato con il poli(butilene diglicolato), anche quest'ultimo interamente ottenibile da fonti rinnovabili. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a diversi tipi di analisi, al fine di determinarne le proprietà in funzione di una possibile applicazione nel packaging alimentare: analisi strutturale, caratterizzazione termica, studio delle proprietà meccaniche e di permeabilità a diversi tipi di gas e infine valutazione della compostabilità.

Bionanocomposites based on Plla, Pcl and montmorillonite: synthesis, characterization and crystallization

Poly(lactide) is one of the best candidate to replace conventional petroleum-based polymers, since it is biobased, biocompatible and biodegradable. However, commercial PLA materials typically have low crystallization rate resulting in long processing time and low production efficiency. In this work the effects of two nanofillers MMT30B and MMT30B-g-P(LA-co-CL) on the crystallization rate of neat PLA and PLA/PCL blend were investigated. MMT30B-g-P(LA-co-CL) was synthetized by in situ grafting reaction. The synthesis was carried in xylene at 140°C, upon the results of a screening. The grafted copolymers were evaluated by 1H-NMR ,ATR–IR and TGA. Solvent casted films were obtained by mixing MMT30B-g-P(LA-co-CL) at 5% (w/w) with neat PLA and PLA/PCL blend, comparing the properties with the corresponding blends with and without a 5% of (w/w) unmodified clay. SEM images on PLA based blends shows that MMT30B is aggregated into larger particles compared to MMT30B-g-P(LLA-co-CL). This behavior is correlated to the better exfoliation of MMT30B-g-P(LA-co-CL) clay layers. SEM images on PLA/PCL based blends exhibit the typical sea-island morphology, characteristic of immiscible blends. PLA is the matrix while PCL is finely dispersed in droplets. MMT30B does not reduce PCL droplets size, while MMT30B-g-P(LA-co-CL) reduces the size of PCL droplets. This means that MMT30B-g-P(LA-co-CL) can migrate to the PLA-PCL interface, acting as a compatibilizer. Non-isothermal DSC cooling scans show a fractionated crystallization of the PCL phase in PLA/PCL/MMT30B-g-P(LA-co-CL), confirming the compatibilizer effect of MMT30B-g-P(LA-co-CL). At the same timeMMT30B-g-P(LA-co-CL) can better nucleate the PLA phase, both in neat PLA and PLA/PCL blend, promoting the crystallization during the heating scans. In isothermal condition, both the nanofillers increase the crystallization rate of PLA phase in neat PLA, while in PLA/PCL blends the effect is covered by the nucleating effect of PCL.

The effect of poly(lactide)-poly(carbonate) based block copolymers on the morphology and crystallization of double crystalline poly(lactide)/poly(ε-caprolactone) blends

Block copolymers of poly(lactide) and poly(carbonate) were synthetized in three different compositions and characterized by 1H-NMR and ATR analyses. The compatibilization effect of this copolymers on 80/20 (w/w%) PLA/PCL blend was evaluated. SEM micrographs show that all the blends exhibit the typical sea-island morphology characteristic of immiscible blends with PCL finely dispersed in droplets on a PLA matrix. Upon the addiction of the copolymers a reduction on PCL droplets size is observable. At the same time, a Tg depression of the PLA phase is detected when the copolymers are added in the blend. These results indicate that these copolymers are effective as compatibilizers. The copolymer that acts as the best compatibilizer is the one characterized by the same amount of PLA and PC as repeating units. As result, in the blend containing this copolymer PLA phase exhibits the highest spherulitic growth rate. An analyses on PLA phase crystallization behaviour from the glassy state within the blends was evaluated by DSC experiments. Isothermal cold crystallization of the PLA phase is enhanced up an order of magnitude upon the blending with PCL. Annealing experiments demonstrated that the crystallization of the PCL phase induces the formation of active nuclei in PLA when cooled above cooled below Tg. When the crystallization rate of PCL is retarded, a reduction on PLA nucleation is observed.

Mechanical characterization of polyhydroxyalkanoate and poly (lactic acid) blends

In this work, the mechanical behavior of polyhyroxyalkanoate (PHA)/poly(lactic acid) (PLA) blends is investigated in a wide range of compositions. The mechanical properties can be optimized by varying the PHA contents of the blend. The flexural and tensile properties were estimated by different models: the rule of mixtures, Kerner–Uemura–Takayanagi (KUT) model, Nicolai–Narkis model and Béla–Pukánsky model. This study was aimed at investigating the adhesion between the two material phases. The results anticipate a good adhesion between both phases. Nevertheless, for low levels of incorporation of PHA (up to 30%), where PLA is expectantly the matrix, the experimental data seem to deviate from the perfect adhesion models, suggesting a decrease in the adhesion between both polymeric phases when PHA is the disperse phase. For the tensile modulus, a linear relationship is found, following the rules of mixtures (or a KUT model with perfect adhesion between phases) denoting a good adhesion between the phases over the composition range. The incorporation of PHA in the blend leads to a decrease in the flexural modulus but, at the same time, increases the tensile modulus. The impact energy of the blends varies more than 157% over the entire composition. For blends with PHA weight fraction lower than 50%, the impact strength of the blend is higher than the pure base polymers. The highest synergetic effect is found when the PLA is the matrix and the PHA is the disperse phase for the blend PHA/PLA of 30/70. The second maximum is found for the inverse composition of 70/30. PLA has a heat-deflection temperature (HDT) substantially lower than PHA. For the blends, the HDT increases with the increment in the percentage of the incorporation of PHA. With up to 50% PHA (PLA as matrix), the HDT is practically constant and equal to PLA value. Above this point (PHA matrix), the HDT of the polymer blends increases linearly with the percentage of addition of PHA.

Wettability of Aqueous Rhamnolipids Solutions Produced by Pseudomonas aeruginosa LBI

The wetting behavior of rhamnolipids produced by Pseudomonas aeruginosa LBI strain grown on waste oil substrate and sodium dodecyl sulfate (SDS) on glass, polyethylene terephthalate (PET), poly(vinyl chloride) (PVC), poly(epsilon-caprolactone) (PCL) and polymer blend (PVC-PCL) was investigated by the measuring contact angle of sessile drops, to determine the wetting characteristics of rhamnolipids. The comparison of the wetting profiles showed that at low SDS and rhamnolipid concentrations, the contact angle increased and when the concentration of the surfactant increased further, the contact angle decreased. The blend surface (PVC-PCL) showed better wettability than the homopolymers themselves and the blend changed the surface hydrophobicity of the polymer, making it more hydrophilic. The rhamnolipids produced by the LBI strain exhibited superior wetting abilities than the chemical surfactant SDS one. This is the first work that evaluates the wetting properties of rhamnolipids on polymer blends.

Wettability of Aqueous Rhamnolipids Solutions Produced by Pseudomonas aeruginosa LBI

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Synthesis, characterization and crystallization of bionanocomposites based on PLLA, PCL and nanocellulose

In recent years, environmental concerns and the expected shortage in the fossil reserves have increased further development of biomaterials. Among them, poly(lactide) PLA possess some potential properties such as good ability process, excellent tensile strength and stiffness equivalent to some commercial petroleum-based polymers (PP, PS, PET, etc.). This biobased polymer is also biodegradable and biocompatible However, one great disadvantage of commercial PLA is slow crystallization rate, which restricts its use in many fields. Using of nanofillers is viewed as an efficient strategy to overcome this problem. In this thesis, the effect of bionanofillers in neat PLA and in blends of poly (L-lactide)(PLA)/poly(ε-Caprolactone) (PCL) has been investigated. The used nanofillers are: poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) and poly(L-lactide-b-ε-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers and neat cellulose nanowhiskers (CNW). The grafting reaction of poly(L-lactide-co-caprolactone) and poly (L-lactide-b-caprolactone) on the nanocellulose has been performed by the grafting from technique. In this way the polymerization reaction it is directly initiated on the substrate surface. The condition of the reaction were chosen after a temperature and solvent screening. By non-isothermal an isothermal DSC analysis the effect of bionanofillers on PLA and 80/20 PLA/PCL was evaluated. Non-isothermal DSC scans show a nucleating effect of the bionanofillers on PLA. This effect is detectable during PLA crystallization from the glassy state. Cold crystallization temperature is reduced upon the addition of the poly(L-lactide-b-caprolactone) grafted on cellulose nanowhiskers that is most performing bionanofiller in acting as a nucleating agent. On the other hand, DSC isothermal analysis on the overall crystallization rate indicate that cellulose nanowhiskers are best nucleating agents during isothermal crystallization from the melt state. In conclusion, nanofillers have different behavior depending on the processing conditions. However, the efficiency of our nanofillers as nucleating agent was clearly demonstrated in both isothermal as in non-isothermal condition.

Nuovi copoliesteri statistici cicloalifatici contenenti acido canforico per applicazioni nel food packaging

Il presente progetto di Tesi ha come obiettivo il design di nuovi copolimeri statistici bio-based, caratterizzati da idonee proprietà meccaniche e barriera per impieghi come film sottili nell’imballaggio alimentare. I materiali sintetizzati appartengono alla classe dei poliesteri alifatici, caratterizzati dalla facilità di sintesi in assenza di solventi, relativamente economici, caratterizzati da proprietà modulabili in funzione della struttura chimica. Come omopolimero di partenza è stato scelto il poli(butilene trans-1,4-cicloesanoato) (PBCE), un poliestere potenzialmente bio-based con elevata resistenza ad alte temperature, umidità, radiazioni UV e buone proprietà meccaniche e barriera, e, benchè non ancora disponibile in commercio, molto interessante. Esso risulta troppo rigido per la realizzazione di film flessibili. Il PBCE è stato quindi copolimerizzato introducendo l’(1R,3S)-(+)-Acido Canforico, un monomero bio-based ottenibile dalla canfora. L’obiettivo del lavoro è modulare la cristallinità, le proprietà termiche, meccaniche e barriera dell’omopolimero di partenza. Dopo la sintesi, effettuata mediante policondensazione in massa a due stadi, tali copolimeri sono stati sottoposti a caratterizzazioni molecolari, termiche e meccaniche per valutare l’effetto dell’introduzione di comonomero nella catena macromolecolare del PBCE.

Assessment of polymer-based nanocomposites biodegradability

The management of solid waste is a growing concern in many countries. Municipal solid waste is a major component of the total solid waste generated by society, and the composting of municipal solid waste has gained some attention even though a composting treatment for it is not yet widespread. It may not be realistic to replace large portions of these plastics with biodegradable materials, and it may be more important to separate plastics unsuitable for the composting process at the generating spots. However, for food packaging, there is still a great deal of interest in using biodegradable plastics that are difficult to sort at the generation spots. Under these circumstances, nanocomposites of biodegradable polymers as matrix and nanoparticles, that can be degraded along with organic wastes during composting could be a solution. Therefore, this chapter aims to give an overview on the biodegradability studies of bio-nanocomposites. It will focus on different polymers, nanocomposites containing different clay types and inorganic particles exposed under different environments.

Zidovudine-Loaded PLA and PLA-PEG Blend Nanoparticles: Influence of Polymer Type on Phagocytic Uptake by Polymorphonuclear Cells

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Intranasal delivery of zidovudine by PLA and PLA-PEG blend nanoparticles

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Biodegradation of blend films in soil and soil with chorume. I. PVC/PCL

Blends of synthetic and biodegradable polymers can be important in attaining material plastic degradation in the environment. Biodegradation using soil and chorume (liquid waste from landfill) microorganisms is a promising area these days. This paper intends to study the PVC/PCL blend degradation in soil using aerobic biodegradation (Bartha respirometer). The morphology and structural changes of the blends were studied by FTIR, scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry and contact angle measurements. Blend films prepared by the casting of dichloroethane solutions were buried in a Bartha respirometer containing soil and soil plus chorume and kept there for 120 days. During this time CO2 evolution was measured from time to time. The results showed that PCL films degrade faster than PVC/PCL and PVC films.