Ανάπτυξη ινωδών και πορωδών νανοσύνθετων πολυμερικών υλικών
Authors: Τσιμπλιαράκη Αθανασία 
Published: August 2021

Το κύριο αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ινωδών και πορωδών νανοσύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με πολυστρωματικά ορυκτά. Προκειμένου να δημιουργηθούν οι ινώδεις και πορώδεις δομές νανοϋβριδικών πολυμερών με επιθυμητές ιδιότητες είναι απαραίτητο να διερευνηθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την τελική δομή τους. Για το σκοπό αυτό, αρχικά, μελετήθηκε η τροποποίηση του φυσικού μοντμοριλλονίτη εφαρμόζοντας δύο μεθόδους ιοντοεναλλαγής με διάφορα κατιόντα αλκυλαμμωνίου. Παρήχθησαν τροποποιημένα ορυκτά με την κλασική μέθοδο ιοντοεναλλαγής, τα οποία συγκρίθηκαν ως προς τη δομή τους με ορυκτά που τροποποιήθηκαν με μία νέα τεχνική σε περιβάλλον υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα (scCO₂). Τα τροποποιημένα αυτά ορυκτά χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία νανοσύνθετων υλικών από τρία διαφορετικά πολυμερή: το συμπολυμερές βουτανοδιόλης 1,4, σουκινικού και αδιπικού οξέος (ή αλλιώς βιονόλη) (PBSA), το πολυ(D,L γαλακτικό οξύ) (PDLLA) και την πολυ(ε-καπρολακτόνη) (PCL). Από τα παραπάνω, εξετάζοντας τη μορφολογία του νανοσύνθετου, συσχετίστηκε η μέθοδος τροποποίησης του ορυκτού και το μέγεθος του αλκυλαμμωνίου με την τελική αλληλεπίδραση ορυκτού – πολυμερικής μήτρας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της ηλεκτροστατικής ινοποίησης (electrospinning) για τη δημιουργία ινωδών δομών από νανοσύνθετα βιονόλης. Για τη διερεύνηση της επίδρασης των εμπλεκόμενων παραμέτρων στην τελική ινώδη μορφολογία των υλικών, εφαρμόστηκε ένας προκαταρκτικός σχεδιασμός πειραμάτων (screening design) από όπου προέκυψαν οι δύο πιο σημαντικές παράμετροι της διεργασίας. Βρέθηκε ότι αυτές είναι η συγκέντρωση του πολυμερικού διαλύματος και η συγκέντρωση του ορυκτού στο νανοσύνθετο. Ακολούθησε βελτιστοποίηση της νανοϊνώδους μορφολογίας χρησιμοποιώντας μόνο αυτές τις δύο παραμέτρους ως παραμέτρους εισόδου και ως αποκρίσεις τη μέση διάμετρο των ινών (Dfiber) και την % τυπική απόκλιση της μέσης διαμέτρου (%STDV). Οι επιφάνειες απόκρισης έδωσαν τελικά μια βέλτιστη περιοχή των παραμέτρων (“sweet-spot” region), όπου προκύπτουν ομοιόμορφες ίνες μικρής διαμέτρου (Dfiber και %STDV ελάχιστα). Το κεφάλαιο αυτό της διατριβής ολοκληρώνεται με τη διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς των ινωδών νανοσύνθετων υλικών η οποία, κατόπιν, συνδέεται με τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης. Ακολούθως, εξετάστηκαν οι πορώδεις δομές νανοσύνθετων που προέκυψαν από PDLLA και τροποποιημένο μοντμοριλλονίτη με τη μέθοδο της ισοθερμοκρασιακής ταχείας εκτόνωσης scCO₂. Σκοπός εδώ ήταν η διερεύνηση του ρόλου τριών παραμέτρων, που αφορούν το τροποποιημένο ορυκτό, στην τελική πορώδη δομή: (α) του βαθμού τροποποίησης του ορυκτού (% συνολική σε κατιόντα εναλλακτική ικανότητα – %CEC), (β) του αλκυλαμωνίου που χρησιμοποιήθηκε κατά την τροποποίηση (μέγεθος ανθρακικής αλυσίδας), και (γ) του ποσοστού του τροποποιημένου ορυκτού στο πολυμερές κατά τη δημιουργία του σύνθετου υλικού. Προέκυψε, ότι και οι τρεις παράμετροι επιδρούν ως ένα βαθμό στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των πορωδών δομών (μέση διάμετρο πόρων, μέση αριθμητική πυκνότητα πόρων και πυκνότητα αφρού). Τέλος, δημιουργήθηκαν πορώδεις δομές νανοσύνθετων από PCL με δύο διαφορετικές τεχνικές. Η μία από τις δύο μεθόδους, που χρησιμοποιείται ήδη εκτενώς στη βιβλιογραφία, περιλαμβάνει δύο βήματα: την αρχική δημιουργία του νανοσύνθετου υλικού σε δισκία ομοιόμορφου πάχους και κατόπιν την κατεργασία του με scCO₂ (μέθοδος ταχείας εκτόνωσης) για τη δημιουργία των πόρων. Επιπρόσθετα, χρησιμοποιήθηκε μια νέα μέθοδος (ενός βήματος) που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, όπου το scCO₂ λειτουργεί ταυτόχρονα ως μέσο διασποράς του ορυκτού στο πολυμερές για τη δημιουργία του νανοσύνθετου αλλά και ως μέσο πορογέννεσης. Οι δύο μέθοδοι συγκρίνονται και αξιολογούνται.