Plasticization of Biobased Polymers: A Combined Experimental and Simulation Approach
Tid: Fr 2021-04-23 kl 10.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_QHvbQhrFQbqKhTcq3zA2dw, Stockholm (English)
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Hüsamettin Deniz Özeren , Polymera material
Opponent: Professor Kim Bolton, University of Borås, Faculty of Textiles, Engineering and Business
Handledare: Professor Mikael S. Hedenqvist, Polymera material; Universitetslektor Richard Olsson, Polymera material; Docent Fritjof Nilsson, Fiber- och polymerteknologi
Abstract
Området biobaserade plaster har utvecklats avsevärt under de senaste årtiondena och det finns en ökad efterfrågan från, och press på, industrier för att flytta från petrokemiska till biobaserade polymerer. Biobaserade polymerer erbjuder konkurrenskraftiga egenskaper och i flera fall ett konkurrenskraftigt pris. Termoplastisk stärkelse är redan kommersiellt tillgänglig, medan vetegluten-proteinbaserade material anses vara lovande kandidater för kommersiell användning.
Biobaserade material kan dock ha vissa nackdelar som måste hanteras. Stärkelse-baserade material är generellt spröda på grund av den mindre rörliga glukos-baserade molekylkedjan och det vätebindande nätverket. Detta gäller också för proteiner (på grund av den styva peptidbindningen, bulkiga sidogrupper och vätebindande nätverk), som till exempel gluten. Dessa problem kan dock lösas med effektiva kompatibla mjukgörare. Men för att kunna optimera val av rätt mjukgörare för en specifik polymer, behövs en ökad förståelse vad gäller mjukgörningsmekanismerna. Dessutom behövs en metodik för att kunna förutsäga vilken mängd mjukgörare som behövs, samt att kunna rangordna möjliga mjukgörarkandidater baserat på dess effektivitet.
Som ett led i att utveckla en metodik (baserad på en kombination av experiment och molekyldynamik-simulering) för prediktering av mjukgörning, samt för att studera och förstå mjukgörningsmekanismerna, studerades här huvudsakligen stärkelse, men också vetegluten, båda mjukgjorda med glycerol. Den vanligaste mjukgöraren som brukar användas för biobaserade polymerer är glycerol, vilket beror på dess effektivitet, stabilitet och låga kostnad. Dessutom är det idag en stor biprodukt från biodiesel-tillverkning. Även en rad andra mjukgörarkandidater studerades för stärkelse-systemet för att se om den här framtagna metodiken kunde användas för att ranka mjukgörare. Dioler testades i stärkelse-systemet som mjukgörare, men de hade ingen eller liten mjukgörande effekt. Däremot gav de upphov till oväntade strukturer och egenskaper. Flera tekniker användes för att bestämma de experimentella egenskaperna hos de biobaserade filmerna, inkluderande kalorimetri, gravimetri, dynamisk mekanisk analys och dragprovning.
Resultaten (baserade på mekaniska and termiska egenskaper) visade att metodiken kunde användas för att ranka mjukgörare med avseende på deras effektivitet. Det gick också att förutse den mängd mjukgörare som behövs för en effektiv mjukgörning. Med hjälp av simuleringarna kunde mjukgörningseffekten studeras i detalj och förklaras till stor del av vätebindningseffekter. Metodik utarbetades också för att från simulering kunna förutsäga inte bara trender i mekaniska egenskaper, men också absoluta värden i styvhet och styrka vid töjningshastigheter motsvarande experimentella mätningar.