Μελέτη μεταπολυμερισμού στερεάς κατάστασης σε βιοδιασπώμενους πολυεστέρες - Καραταράκη, Γεωργία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV), 2018)
Τα πολυμερή και πιο συγκεκριμένα τα πλαστικά, είναι συνήθως συνθετικά υλικά, πετροχημικής προέλευσης, τα οποία δε δύναται να αποικοδομηθούν. Το αποτέλεσμα είναι η συσσώρευσή τους στο περιβάλλον, συμβάλλοντας σημαντικά στη γενικότερη ρύπανση και διατάραξη των οικοσυστημάτων. Ως εκ τούτου, τα τελευταία χρόνια, η επιστήμη και η βιομηχανία έχει στραφεί σε βιοδιασπώμενα πολυμερή, τα οποία αποτελούν μια βιώσιμη εναλλακτική, παρέχοντας τη δυνατότητα περιορισμού συσσώρευσης των πλαστικών αποβλήτων. Από τους κυριότερους εκπροσώπους των βιοδιασπώμενων πολυμερών και μάλιστα των πολυεστέρων, είναι το πολυ(γαλακτικό οξύ) ή αλλιώς PLA [Poly(lactic acid)]. Το PLA αποικοδομείται ταχύτατα στο περιβάλλον, δίχως να αποδίδει τοξικά προϊόντα, ενώ σε τελικό στάδιο διασπάται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Ένα επιπλέον θετικό γνώρισμα του πολυ(γαλακτικού οξέος) είναι ότι μπορεί να παραχθεί μέσω ζύμωσης, από 100% ανανεώσιμες πρώτες ύλες, όπως αμυλούχες ενώσεις και σάκχαρα. Επιπροσθέτως, το PLA μετατρέπεται εύκολα από άμορφο σε ημικρυσταλλικό, μέσω τροποποίησης της στερεοχημικής του δομής και της αναλογίας των L- και D- ισομερών του. Από τα κύρια μειονεκτήματα των βιοδιασπώμενων πολυεστέρων και συνεπώς και του πολυ(γαλακτικού οξέος) είναι το υψηλό κόστος παραγωγής τους, αλλά και οι υποδεέστερες ιδιότητες που μερικοί εμφανίζουν, εξαιτίας του χαμηλού μέσου μοριακού τους βάρους ή της στερεοχημικής τους δομής. Το PLA καλύπτει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, με τον τομέα της ιατρικής να είναι ένας από τους πιο δημοφιλής. Χρησιμοποιείται με μεγάλη επιτυχία στη μεταφορά φαρμάκων στον ανθρώπινο οργανισμό, ως πολυμερικός φορέας για τον εγκλεισμό δραστικών ενώσεων. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μεταπολυμερισμού στερεάς κατάστασης (post-SSP) του πολυ(γαλακτικού οξέος), με απώτερο σκοπό τη βελτίωση των φυσικών του ιδιοτήτων. Επίσης, μελετάται η δημιουργία κενών νανοσωματιδίων πολυ(γαλακτικού οξέος), τα οποία δύναται να μελετηθούν κι αυτά ως προς τον μεταπολυμερισμό στερεάς κατάστασης και να διερευνηθεί η δυνατότητα εφαρμογής της διεργασίας σε προπολυμερή αυτής της μορφολογίας. Η πειραματική διαδικασία μοιράζεται σε τρία στάδια, την επεξεργασία των πρώτων υλών, τη μελέτη μεταπολυμερισμού στερεάς κατάστασης των επεξεργασμένων πρώτων υλών και τη μελέτη δημιουργίας κενών νανοσωματιδίων πολυ(γαλακτικού οξέος). Ως πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται το άμορφο PLA Ingeo 6302D της εταιρίας Nature Works και το ημικρυσταλλικό PLA Purapol L130 της εταιρίας Corbion. Οι δύο ποιότητες πολυμερών υπόκεινται σε υδρολυτική διάσπαση και ύστερα κονιορτοποίηση, ώστε να ληφθούν σε μορφή πούδρας, χαμηλού μέσου μοριακού βάρους. Στη συνέχεια, οι υδρολυμένες πούδρες αποτελούν τα προπολυμερή για τη μελέτη του μεταπολυμερισμού στερεάς κατάστασης (SSP). Η θερμοκρασία επεξεργασίας επιλέγεται ανάμεσα του σημείου υαλώδους μετάπτωσης και του σημείου τήξης για να παραμείνουν τα πολυμερή σε στερεά κατάσταση. Επιπλέον, πραγματοποιείται κρυστάλλωση-ανόπτηση των προπολυμερών προτού υποστούν SSP, μέσω θερμικού προγραμματισμού. Πιο συγκεκριμένα το άμορφο PLA θερμαίνεται στους 93οC για 8 h και στη συνέχεια υπόκειται σε SSP στους 110οC. Το ημικρυσταλλικό PLA θερμαίνεται αρχικά στους 130οC και ύστερα στους 140οC. Τα αποτελέσματα των SSP έδειξαν ότι το άμορφο PLA δεν μεταπολυμερίζεται, παρόλα αυτά αυξάνεται κατά το ελάχιστο το σημείο τήξεως και το ποσοστό κρυσταλλικότητάς του. Από την άλλη, το ημικρυσταλλικό PLA δεν παρουσίασε κάποια βελτίωση στις θερμικές του ιδιότητες στους 130οC, ενώ στη θερμοκρασία των 140οC εμφάνισε μικρή αύξηση του σημείου τήξεως και της κρυσταλλικότητάς του. Για τη μελέτη δημιουργίας νανοσωματιδίων πολυ(γαλακτικού οξέος) χρησιμοποιήθηκαν οι δύο ποιότητες πολυμερούς, υπό μορφή κόκκων και υδρολυμένης πούδρας για το Ingeo και υπό μορφή υδρολυμένης πούδρας για το Purapol. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία είναι η τεχνική γαλακτωματοποίησης-εξάτμισης διαλύτη. Κατά τη διάρκεια της μελέτης έλαβαν χώρα διάφορες δοκιμές, αναφορικά με τις παραμέτρους της τεχνικής, αλλά καμία τελικά δεν απέδωσε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Οι απεικονίσεις SEM για τα σωματίδια κατέδειξαν ότι τα πολυμερή καταβυθίστηκαν κατά τη διάρκεια δημιουργίας του γαλακτώματος και έτσι το εγχείρημα αυτό απέτυχε.