Ahmed Mohamed el-Hadi Abdel Ghaffar

Development of a biodegradable materials based on poly(3-hydroxybutyrate) PHB

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 18.01.2002

Abstract
Die Menge an Kunststoffabfällen wächst jedes Jahr an. Die genaue Zeit für dessen biologischen Abbau ist unbekannt. PHB wurde aus nachwachsenden Rohstoff mit Hilfe von Mikroben durch Fermentation hergestellt. Das Interesse an PHB nahm in den letzten Jahren immer mehr zu, weil es ein umweltfreundliches Polymer ist. PHB ist ein vollständig biologisch abbaubares Polyester mit optischer Aktivität, Piezoelektrik und sehr guter Dichtheit [Permeabilität] gegenüber O2, CO2 und H2O. PHB ist ein teilkristalliner Thermoplast mit hohem Schmelzpunkt und hohem Kristallinitätsgrad und hat die mechanischen Eigenschaften wie PP, aber es ist steif und spröde. Um diese Probleme zu lösen und Sprödigkeit zu beseitigen wurden neue Blends entwickelt und neue Ergebnisse in Polymer Physik erreicht. Die neuen Blends haben gute mechanische Eigenschaften, wie Bruch-Spannung (27-18 MPa), Bruch-Dehnung (400-660 %), hohe Schlagzähigkeit, gute Elastizität und Langzeitstabilität, vergleichbar mit PE oder PP. Durch die Mischung von PHB mit biologisch abbaubaren Zusätzen wie Weichmacher, Keimbildner und Gleitmittel kann dies erreicht werden. Durch die Zugabe von Keimbildnern werden viele kleine Sphärolithe gebildet, die für die mechanischen Eigenschaften notwendig sind. Die Mischungen sind duktile Polymere, die bei der plastischen Deformation den Fließpunkt erreichen und danach fließen (necking). Die Sphärolithe der Mischungen wachsen oberhalb 100C ringförmig und spiralförmig, weil sich die Lamellen wie bei PE, PPO und PVDF verdrehen. Unterhalb 90C treten strahlenförmige Sphärolithe wie bei PP und PEO auf. Durch die Zugabe von Weichmachern wird die Glastemperatur verschoben von 20C auf -50C (DSC), so daß die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Es wird nur eine einzelne Glastemperatur von allen Mischungen, die niedriger als die Glastemperatur von PHB ist, gefunden. Durch Zugabe von Additiven werden die rheologischen Eigenschaften verbessert und gut verarbeitet.

The amount of plastic waste increases every year and the time, required for its biodegradation, is still unknown. PHB has attracted much attention in recent years, because it is an environmentally friendly polymer. PHB is a fully biodegradable polyester, is optically active, piezoelectric, and is very low permeable to O2, CO2 and H2O. PHB is a partially crystalline thermoplastic and has a high melting point, high degree of crystallinity and has mechanical properties like those of PP but it is stiff and brittle. The brittleness depends on the degree of crystallinity, glass temperature and microstructure. Solves this problem by a new blends and new results achieve in polymer physics and applications in polymer science. The new blends have good mechanical properties like a fracture stress (25-18 MPa), elongation (400-660%), good impact strength, better elasticity and long term stability in comparison to be PE, PP. PHB is mixed with biodegradable additives like nucleates, plasticizers and lubricants. The Addition of nucleation leads to formation of small spherulites with smaller diameters, which have necessary the mechanical properties. The blends spherulites grow banded spherulites (above 100 C as a spiral with twisting lamellae like PE, PPO, and PVDF) and non-banded spherulites under 90C non-banded spherulites form as a fibrous texture as in PP and PEO. By adding plasticizers, the glass temperature shifts to lower value of 20C to -50C, which improves the mechanical properties. Only one glass temperature was detected for the blends below the glass temperature of PHB. The additives have improved processing properties.

Keywords:
Ploy(3-hydroxybutyrate) PHB, Entwicklung, Mischbarkeit, Glasübergangstemperatur, (DSC, DMA, DES)., Morphologie (POM, SEM, AFM), mechanische Eigenschaften (Zugdehnungsverhalten), Rheologie, thermische Stabilität, Verarbeitung

Ploy(3-hydroxybutyrate) PHB, development, miscibility, glass transition temperature, (DSC, DMA, DES), morphology (POM, SEM, AFM), mechanical properties (stress-strain), rheology, thermal stability, processing

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Inhaltsverzeichnis
Contents (i-iii)
1 Manufacturing and properties of PHB (1-10)
2 Determination of the miscibility (11-52)
3 Crystallization kinetics of PHB and its blends (53-72)
4 Effect of additives on rheological properties of PHB (73-84)
5 Correlation between morphology, glass transition, mechanical properties of PHB and its blends (85-94)
6 Biodegradability test (95-100)
7 Summary (101-104)
8 Zusammenfassung (105-108)
9 References (109-114)
10 Subject index