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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2021.tde-09082022-163831
Document
Author
Full name
Lucas Henrique Staffa
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Chinelatto, Marcelo Aparecido (President)
Becker, Daniela
Carvalho, Antonio José Felix de
Costa, Lidiane Cristina
Scuracchio, Carlos Henrique
Title in Portuguese
Efeito da estrutura molecular de copolímeros multiblocos de poli(ε-caprolactona-b-etileno glicol) na compatibilidade de blendas biodegradáveis de poli(ácido láctico)/poli(ε-caprolactona)
Keywords in Portuguese
Copolímero multibloco
Palierne
PCL
PLA
Tensão Interfacial
Abstract in Portuguese
O objetivo desse trabalho foi investigar o efeito compatibilizante de copolímeros multiblocos derivados de ε-caprolactona e etilenoglicol, sintetizados com diferentes tamanhos de blocos, em blendas de poli(ácido láctico)/poli(ε-caprolactona) (PLA/PCL). Três copolímeros multiblocos de mesma massa molar, mas diferentes tamanhos de blocos, foram sintetizados por policondensação em massa em uma única etapa, a partir de macrodióis de ε-caprolactona e etilenoglicol de cadeia aberta e, hexametileno diisocianato (HDI). As curvas de distribuição de massas molares (DMM), obtidas via cromatografia por separação de tamanhos (SEC), revelaram que as massas molares numéricas-médias (Mn) dos copolímeros sintetizados estão por volta de 45000 Da e polidispersividades variando entre 1,88 e 1,94. Os resultados de FTIR, H1-RMN e TGA confirmam a estrutura multibloco com ligação uretânica intramolecular. Esses copolímeros multiblocos foram incorporados nos teores de 1, 3 e 5% (% em massa), em blendas imiscíveis PLA/PCL 80/20 (% em massa) a partir do estado fundido por extrusão dupla-rosca co-rotacional. A análise das imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostrou que o raio numérico médio (Rn) das gotas da fase dispersa é de aproximadamente 1,74 μm para a mistura nãocompatibilizada. A redução do tamanho da fase dispersa é dependente da estrutura molecular dos copolímeros. O copolímero de maior tamanho dos blocos (CL2000PEG6000) reduziu o Rn da fase dispersa para 0,78 μm com apenas 1% (% em massa) na blenda. Ainda, verificou-se que a estrutura molecular dos copolímeros também tem efeito direto no potencial de redução da tensão interfacial e na concentração crítica micelar (CMC). Os compatibilizantes permitiram diminuir a tensão interfacial da blenda PLA/PCL de 1,5 mN/m para aproximadamente 0,2 mN/m, valores estes estimados pelo modelo de Palierne. No entanto, para o copolímero de menor tamanho dos blocos (CL550PEG1500), maior quantidade é necessária para atingir esse valor mínimo de tensão interfacial, sendo necessário incorporá-los a 3% (% em massa). Com o aumento do tamanho dos blocos (CL2000PEG1500 e CL2000PEG6000), esse valor mínimo foi alcançado com menores teores de compatibilizantes, sendo necessário apenas 1% (% em massa). O copolímero CL550PEG1500, mesmo com menor potencial compatibilizante, foi o que permitiu os maiores ganhos de ductilidade e tenacidade, conforme evidenciado pelo aumento no alongamento na ruptura em tração e resistência ao impacto Izod da blenda, respectivamente. Blendas PLA/PCL não compatibilizadas possuem aproximadamente 3% de alongamento na ruptura, enquanto que com a compatibilização foi possível atingir 50%. De acordo com os resultados de AFM-IR, os aumentos de ductilidade e tenacidade podem estar associados à menor incidência de micelas na matriz, em comparação com a blenda compatibilizada com o copolímero CL2000PEG6000. Ainda, uma relação direta foi verificada entre a mudança no modo de fratura da blenda com a CMC. As micrografias obtidas por MEV mostram que, quando o modo de fratura da blenda altera de inter- para trans-particular, há nivelamento da tensão interfacial. Os resultados de AFM-IR revelam que este nivelamento se relaciona com a saturação da interface e a segregação dos copolímeros na fase matriz. Aqui, pela primeira vez e para este determinado sistema, a compatibilização de copolímeros multiblocos de diferentes estruturas moleculares em blendas PLA/PCL foi corroborada pelo ponto de vista de tensão interfacial, estimado por métodos reológicos.
Title in English
Effect of the molecular structure of multiblock copolymers of poly(ε-caprolactone-b-ethylene glycol) on the compatibility of biodegradable blends of poly(lactic acid)/poly(ε-caprolactone)
Keywords in English
Interfacial tension
Multiblock copolymers
Palierne
PCL
PLA
Abstract in English
The aim of this work was to investigate the compatibilizing effect of multiblock copolymers derived from ε-caprolactone and ethylene glycol, synthesized with different block sizes, in poly(lactic acid)/poly(ε-caprolactone) (PLA/PCL) blends. Three multiblock copolymers with the same molar mass, but different block sizes, were synthesized by one-step bulk polycondensation from opened-chain ε-caprolactone and ethylene glycol macrodiols and, hexamethylene diisocyanate (HDI). The molar mass distribution curves (DMM), obtained via size-exclusion chromatography (SEC) showed that number-average molar mass (Mn) of the synthesized copolymers are around 45000 Da and polydispersities ranging from 1.88 and 1.94. FTIR, H1-NMR and TGA results confirm the multiblock structure with intramolecular urethane bonding. These multiblock copolymers were incorporated in the contents of 1, 3 and 5 wt%, in immiscible PLA/PCL blends 80/20 wt% from the molten state by co-rotational twinscrew extrusion. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed the numberaverage radius (Rn) of the dispersed phase droplets in approximately 1.74 μm for the uncompatibilized blend. The reduction in dispersed phase size is dependent on the molecular structure of the copolymers. The larger block size copolymer (CL2000PEG6000) reduced the Rn of the dispersed phase to 0.78 μm with only 1 wt% in the blend. Furthermore, it was found that the molecular structure of the copolymers also has a direct effect on the potential for reducing interfacial tension and on the critical micelle concentration (CMC). The compatibilizers allowed to decrease the interfacial tension of the PLA/PCL blend from 1.5 mN/m to approximately 0.2 mN/m. These values were estimated by the Palierne model. However, for the smaller block size copolymer (CL550PEG1500), a greater content is necessary to reach this minimum value of interfacial tension, being necessary to incorporate them at 3 wt%. With the increase in block size (CL2000PEG1500 and CL2000PEG6000), this minimum value was reached with lower contente, requiring only 1 wt%. The CL550PEG1500 copolymer, even with lower compatibilizing potential, allowed the greatest gains in ductility and toughness, as evidenced by the increase in the elongation at break in tensile test and Izod impact strength of the blend, respectively. Uncompatibilized PLA/PCL blend demonstrated approximately 3% of elongation at break, while with compatibilization it was possible to reach 50%. According to the AFMIR results, the increases in ductility and toughness may be associated with a lower incidence of micelles in the matrix, compared to the compatibilized blend with CL2000PEG6000. Furthermore, a direct relationship was verified between the change in the fracture mode of the blend with the CMC. The SEM micrographs showed that, when the fracture mode of the blend changes from inter- to trans-particle, there is a leveling in the interfacial tension. The AFM-IR results reveal that this leveling is related to the saturation of the interface and the segregation of copolymers in the matrix phase. Here, for the first time and for this particular system, the compatibilization of multiblock copolymers of different molecular structures in PLA/PCL blends was corroborated by the point of view of interfacial tension, estimated by rheological methods.
 
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Publishing Date
2022-08-23
 
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