title: Developing of manufacturing processes for micro-nanoplastics from polypropylene and polyethylene terephthalate
Creators: name: Adel, Sandy Demin Girgis
Publisher: name: :none
Year: 2023

description: Kunststoffe sind eine der Hauptquellen der Umweltverschmutzung, da sie in verschiedenen Formen allgegenwärtig in der Umwelt nachgewiesen wurden. Mikro- und Nanokunststoffe (MNP) entstehen durch den langsamen Abbau von Kunststoffpolymeren und treten auf drei Hauptwegen mit dem menschlichen Körper in Kontakt: Absorption durch die Haut, Einatmen und Verschlucken. Bislang gibt es noch nicht genügend Daten über die Verbreitung von MNP in der Umwelt und ihre gesundheitlichen Auswirkungen auf Organismen. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Optimierung von Produktionsmethoden für MNP als Testmaterialien diskutiert. Es wurden zwei Polymertypen untersucht: Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET). Diese beiden Polymere wurden aufgrund der Vielfalt ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften ausgewählt und repräsentieren somit ein breites Spektrum von MNP in der Umwelt. Die NP wurden mit der Technik der Nanofällung hergestellt, die eine kurze Solubilisierung, Ausfällung, Wäsche und Resuspension umfasst, um eine Partikelgröße zwischen 0,1 und 1 µm zu erreichen. Für die PP-Nanopräzipitation wurden die Vorbehandlung (Schmelzen bei 180 °C für 3 Stunden), die Solubilisierungstemperatur (185 °C), die Fällungstechnik (doppeltes Pipettieren in einem Eisbad) und die Fällungszeit (wenige Minuten) optimiert. Auch für die PET-Nanofällung wurden die Löslichkeitstemperatur (220 °C), die Löslichkeitsdauer (45 Minuten) und die Fällungsdauer (30 Minuten) optimiert. Diese Methode wurde aufgrund ihrer Einfachheit, Effizienz und Schnelligkeit eingesetzt. Die resultierende Partikelgrößenverteilung (PSD) wurde mittels Laserdiffraktometrie (LD) gemessen. Um die Stabilität zu erhöhen, wurde das Medium von Ethanol zu Glycerin mit einer Endkonzentration von 40 mg/g ausgetauscht. Darüber hinaus wurden fluoreszenzmarkierte Partikel hergestellt, indem der Farbstoff Poly(9,9-dioctylfluoren-alt-benzothiadiazol) (F8BT) während des Solubilisierungsprozesses zugegeben wurde und mit dem zu untersuchenden Polymer co-präzipitiert. Eine andere Methode zur Herstellung von PP in Mikrongröße als Testmaterial wurde verwendet. Das optimierte Protokoll umfasst: Vorbehandlung von PP (Schmelzen für 1 Stunde bei 180°C), Versprödung (Einfrieren über Nacht bei -70°C) und mechanisches Nassmahlen, gefolgt von Sieben und Sammeln der angestrebten Größenbereiche. Diese Methode wurde gewählt, da sie den natürlichen Abbau von Kunststoffen in der Umwelt simuliert. Durch die Optimierung der Nanofällungsmethode wurden PP- und PET-NP-Chargen mit PSD im Bereich von 0,1-1 µm erfolgreich hergestellt und in 40 mg/g Glycerin redispergiert. Durch Kopräzipitation mit dem Fluoreszenzfarbstoff F8BT wurden außerdem einige markierte NPs mit einer PSD im Bereich von 0,1-1 µm erfolgreich hergestellt. Darüber hinaus wurden auch PP-Chargen in Mikrongröße (38-50, 50-100, 100-180 und 180-250 µm) durch mechanisches Nassmahlen erfolgreich hergestellt. In dieser Arbeit wurden reproduzierbare Methoden zur Herstellung von MNPs-Testmaterialien aus PP und PET entwickelt und die hergestellten Testmaterialien erfolgreich an unsere Projektpartner für weitere Untersuchungen geschickt.
description: Plastics are one of the major sources of environmental pollution, as they have been ubiquitously detected in several forms in the environment. Micro- and nanoplastics (MNPs) result from the slow degradation of plastic polymers and interact with the human body by three main exposure routes: absorption through skin, inhalation and ingestion. To date, there is still not enough data on the prevalence of MNPs in the environment and their health impacts on organisms. In this thesis, the development and optimization of production methods for MNPs as test materials will be discussed. Two polymer types were studied: Polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET). These two polymers were chosen due to the diversity in their chemical and physical properties, thus representing a wide range of MNPs in the environment. NPs were produced by the nanoprecipitation technique which briefly involves solubilisation, precipitation, washing and resuspension to achieve a particle size range between 0.1-1 µm. For PP nanoprecipitation the pretreatment (melting at 180 °C for 3 hours), solubilization temperature (185 °C), precipitation technique (double pipetting in an ice bathe) and precipitation time (few minutes) were optimized. Also, for PET nanoprecipitation the solubilization temperature (220 °C), solubilization time (45 minutes) and precipitation time (30 minutes) were optimized. This method was employed because of its easy, efficient and fast nature. The resulting particle size distribution (PSD) was measured via laser diffraction (LD). To increase stability the medium was exchanged from ethanol to glycerol with a final concentration of 40 mg/g. Moreover, fluorescently labelled particles were produced by adding the dye Poly(9,9-dioctylfluorene-alt-benzothiadiazole) (F8BT) during the solubilisation process and co-precipitate with the polymer of interest. Another method for the preparation of micron sized PP as test materials was used. The optimized protocol includes: Pretreatment of PP (melting for 1 hour at 180°C), embrittling (freezing overnight at -70°C) and mechanical wet grinding, followed by sieving and collecting the targeted size ranges. This method was chosen, since it was found to simulate the natural degradation of plastics in the environment. Through optimization of nano-precipitation method, PP and PET-NPs batches with PSD within the range of 0.1-1 µm were successfully produced and redispersed into 40 mg/g glycerol. Also, through co-precipitation with the fluorescent dye F8BT, some labelled NPs batches with PSD within the range of 0.1-1 µm were successfully produces. Moreover, micron sized PP batches (38-50, 50-100, 100-180 and 180-250 µm) were also successfully produced through mechanical wet grinding. In this Thesis, reproducible methods were successfully developed to produce MNPs test materials from PP and PET and the produced test materials were successfully sent to our project partners for further investigations.