Study on structure and morphology of polymer nanocomposites

The reinforcement of polymers using fillers, whether inorganic or organic, is common in modern plastics. Polymer nanocomposites or, with a more inclusive term, polymer nanostructured materials, represent a radical alternative to these traditional filled polymer compositions. In contrast to ordinary polymer systems where reinforcement is on the order of microns, polymer nanocomposites are exemplified by discrete constituents on the order of a few nanometers. In the past decade polymer/clay nanocomposites have emerged as a new class of materials and attracted considerable interest in research and development worldwide after initial reports from the Toyota group on Nylon 6 / clay nanocomposites. Enormous amount of work has been done on preparation and characterization of polymer/organoclay nanocomposites because by this approach it is possible to impart much improved mechanical, thermal, electrical properties with respect to their macro and micro counterparts. There are now many well-developed techniques that are used to produce conventional polymer blends and composites, and various products have been widely commercialized. There are also numerous papers, patents, books, and handbooks that introduce and discuss the development and application of various polymeric blends and composites. Over the past two decades, however, biodegradable/compatible polymers and polymers from renewable resources (PFRR) have been attracting increasing attention, primarily for two major reasons: environmental concerns, and the realization that our petroleum resources are finite. A third reason for the growing interest in polymers from renewable resources relates to adding value to agricultural products, which is economically important for many countries. The present thesis is organized and presented in seven chapters. A brief overview of polymer nanocomposites, of the different fillers used for the preparation polymer composites, and of the different matrices used for polymer nanocomposites are discussed in the first chapter. The scope and objectives of the thesis are described in the second chapter. In the third chapter, various characterization techniques used in this work such as wide angle X-ray diffraction (WAXD), small angle X-ray scattering (SAXS), optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), Infrared spectroscopy (IR), differential scanning calorimetry (DSC), polarized light optical microscopy (PLOM), thermogravimetric analysis (TGA), etc. are described. The fourth chapter describes poly(ε-caprolactone) (PCL) based nanocomposites. For this, PCL was reinforced with different kinds of nanofillers such as clay nanoparticles and different types of electrospun nanofibers. The effect of those nanofillers on PCL matrix structure, morphology, tensile mechanical properties and degradation behavior was analyzed. The fifth chapter deals with poly(lactic acid) (PLA) based composites, in which PLA was reinforced with clay nanoparticles, electrospun nanofibers and also natural fibers. We tried to study the morphology, properties, and degradation behavior of these materials, etc. In the sixth chapter, the efficiency of particles filled electrospun nanofibers as reinforcement for poly(butylene succinate-co-adipate) (PBSA) was studied. Thus, the effect of those fibers on PBSA structure, morphology, and physical mechanical properties was elaborated. It was observed that by using this kind of nanofillers, it is possible to control the structural morphology of pristine polymer matrices and thus their mechanical properties and degradation behavior. Finally, in the seventh chapter, the general conclusions are given.

Il rinforzo dei polimeri con cariche, sia organiche che inorganiche, è una comune strategia nella moderna industria delle materie plastiche. I nanocompositi polimerici, o secondo una definizione più ampia i materiali polimerici nanostrutturati, rappresentano una radicale alternativa alle tradizionali formulazioni dei compositi polimerici. Al contrario dei sistemi ordinari, in cui la carica è dell’ordine di grandezza dei micron, i nanocompositi polimerici contengono costituenti discreti di dimensioni nanometriche. A partire dal lavoro del gruppo della Toyota, nello scorso decennio, i nanocompositi polimerici con argilla sono emersi come una nuova classe di materiali che ha attratto l’interesse del mondo della ricerca e sviluppo sia accademico che industriale. Da allora è stata svolta un’enorme mole di lavoro riguardo la preparazione e la caratterizzazione di questo tipo di nanocompositi perché grazie a questo approccio è possibile impartire proprietà meccaniche, termiche ed elettriche molto migliori rispetto ai più comuni micro e macrocompositi. Oggi esistono molte tecniche sviluppate e mature per produrre compositi e blend polimerici convenzionali e sono stati posti in commercio moltissimi prodotti. Inoltre è disponibile un’ampia letteratura scientifica che introduce e discute gli sviluppi e le applicazioni di questi materiali. Negli ultimi due decenni, tuttavia, è cresciuto l’interesse per polimeri biodegradabili/biocompatibili e per polimeri da fonti rinnovabili, principalmente per due motivi: attenzione all’ambiente e la constatazione che le riserve di petrolio siano finite. Una terza ragione di interesse per i polimeri da fonti rinnovabili consiste nel valore aggiunto che tali materiali possono dare ai prodotti agricoli, un aspetto di grande interesse economico per molti paesi. Il presente lavoro di tesi è organizzato e presentato in sette capitoli. I nanocompositi polimerici saranno brevemente introdotti, assieme ai diversi additivi ed alle diverse matrici impiegate nei nanocompositi polimerici. Lo scopo e gli obiettivi della tesi sono descritti nel secondo capitolo. Nel terzo capitolo sono descritti i metodi usati per la caratterizzazione dei materiali, come la diffrazione dei raggi X ad alto angolo, la diffusione dei raggi X a basso angolo, la microscopia ottica, la microscopia elettronica a scansione, la microscopia elettronica in trasmissione, la spettroscopia infrarossa, la calorimetria differenziale a scansione, la microscopia ottica in luce polarizzata e la termogravimetria. Il quarto capitolo descrive i nanocompositi basati sul poli(ε-caprolattone) (PCL). Il PCL è stato rinforzato con diversi tipi di nanofiller come nanoparticelle di argilla e diversi tipi di nanofibre da elettrospinning. È stato analizzato l’effetto di questi nanofiller sulla struttura, sulla morfologia, sulle proprietà meccaniche e sul comportamento di degradazione del PCL. Il quinto capitolo presenta i risultati riguardanti i compositi dell’acido polilattico (PLA), nei quali il PLA è stato rinforzato con nanoparticelle di argilla, nanofibre da elettrospinning ed anche con fibre naturali. Anche in questo caso, abbiamo studiato approfonditamente struttura, morfologia e proprietà di questi materiali. Nel sesto capitolo, è stata studiata l’efficienza di nanofibre da elettrospinning caricate da particelle inorganiche come rinforzo per una matrice di poli(butilen succinato-co-adipato) (PBSA). È stato quindi investigato l’effetto di queste fibre sulla struttura, sulla morfologia e sulle proprietà del PBSA. Si è osservato che usando questo tipo di nanofiller è possibile controllare la morfologia e la struttura delle matrici polimeriche e quindi le loro proprietà meccaniche ed il loro comportamento di degradazione. Il settimo capitolo, infine, presenterà le conclusioni generali.