Plasticization of Biobased Polymers: A Combined Experimental and Simulation Approach

• The field of bio-based plastics has developed significantly in recent decades and there is an increasing demand for industries to shift from petrochemical to biobased polymers. Biobased polymers offer competitive properties, and in many cases have advantages in terms of cost. Thermoplastic starch is already commercially available, while wheat-gluten protein-based materials are considered to be promising candidates for commercial use.Biobased materials can, however, have several drawbacks that have to be handled. Starch-based materials are, in general, brittle due to the stiff glucose-based molecular chain and hydrogen bond network. This is the case also for proteins (due to the stiff peptide bond, bulky side groups and hydrogen bond network), like for example gluten. These issues can, however, be resolved with effective compatible plasticizers. But in order to be able to optimize the choice of the right plasticizer for a specific polymer, there is a need for an increased understanding of the plasticizer mechanisms. Besides, a methodology for prediction of the plasticizer amount needed, as well as to be able to rank possible plasticizer candidates, based on their effectiveness.    As a part of the development of a methodology (based on the combination of experimental and molecular-dynamics simulations) for prediction of plasticization and to investigate and understand plasticizer mechanisms, the main material investigated was starch, but also wheat gluten, both plasticized with glycerol. The main plasticizer used to date for biobased polymer materials is glycerol, because of its effectiveness, stability and low cost. In addition, it is also a large byproduct of biodiesel production. A number of other plasticizer candidates were also studied for the starch system to see if the developed methodology could be used to rank plasticizers. Diols were tested in the starch system as plasticizers, but they had no or little plasticization effect. Nevertheless, they gave rise to unexpected structures and properties. Several techniques were used to determine the experimental properties of the bio-based films, including calorimetry, gravimetry, dynamic mechanical analysis, and tensile testing.The results (based on mechanical and thermal properties) showed that the methodology could be used to rank plasticizers in terms of their effectiveness. It was also possible to predict the amount of plasticizer needed for effective softening. With the help of the simulations, the emollient effect could be studied in detail and largely explained by hydrogen bonding effects. The methodology was also developed to be able to predict from simulation not only trends in mechanical properties but also absolute values ​​in stiffness and strength at elongation rates corresponding to experimental measurements.

• 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. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Polymerteknologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Polymer Technologies (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Polymerkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Polymer Chemistry (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Fysikalisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Physical Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

plasticization

starch

gluten

simulation

molecular dynamics

glycerol

mjukgörning

stärkelse

gluten

simulering

molekyldynamik

glycerol

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)