Study on the Biodegradability of Polyamide6 and Thermoplastic Starch Blends Using Response Surface Methodology

Document Type : Research Article

Authors

Department of Chemical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran

Abstract

In this study, the polyamide6/ thermoplastic starch (TPS) blends were prepared. Firstly, the starch became thermoplastic and was chemically modified using glycerol and maleic anhydride, under different conditions. After the preparation of maleated thermoplastic starch (MTPS), polyamide6/ MTPS (or TPS) blends were produced considering three variables; and the effects of various variables were investigated on their bio-degradability. In both steps, the experimental design method of Response Surface Methodology (RSM) was used. In the first step, the effects of Maleic Anhydride (MA) amount, time and temperature of the reaction were evaluated on the “degree of MAgrafted on the starch”. With increasing MA content, the processing time and temperature, higher MA grafting was achieved. While at a higher temperature and longer time, it was constant or slightly decreased. The highest grafting of MA was obtained at 140 ºC, 10 min and 4-6 % MA. In the second step, the influences of polyamide6/starch ratio, degree of MA grafting and degradation time were studied on the bio-degradability of the blends in the active sludge, in 90 days. Samples having TPS, showed some weight losses (or degradation) comparing to the purepolyamide6 which had no degradation. The amount of bio-degradation increased clearly with increasing MA grafted on the starch and MTPS amount. A blend containing 30 % MTPS, reached 45 % weight loss after 75 days. Using RSM, the equations of “degree of MA grafting” and “bio-degradation” versus variables, were obtained with suitable accuracy and low error. Besides, the interactions between the parameters were discussed considering 3D plots and the coefficients of the equations. The predicted results from the equations had a good fitting with the experimental data.

Keywords

Main Subjects

References

[1] Griffin G.J.L., Particulate Starch Based Products in Chemistry and Technology of Biodegradable Polymers, Springer Blackie, London, Chap. 3: (1994).
[2] Chandra R., Rustgi R., Biodegradable Polymers, Prog. Polym. Sci., 23: 1273-1335 (1998).
[3] حنیفی، سعید؛ احمدی، شروین؛ ارومیه ­ای، عبدالرسول،خواص مکانیکی و زیست­ تخریب­ پذیری آمیخته­ های پلی­ پروپیلن- نشاسته تقویت شده با نانوخاک ­رس،  مجله علوم و تکنولوژ یپلیمر، (2)26: 139 تا 148 (1392).
[4]Kvien I., Sugiyama J., Votrubec M., and Oksmanbec K., Characterization of Starch Based Nanocomposites, J. Mater. Sci., 42: 8163-8171 (2007).
[5] ثابت­زاده، مریم؛ باقری، روح­الله؛ معصومی، محمود، تهیه و بررسی ویژگی­های آمیخته­های پلی­اتیلن سبک ـ نشاسته گرما­نرم؛ قسمت اول: اثر سازگار­کننده­ی PE-g-MA بر خواص مکانیکی و رفتار جریان، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)32: 59 تا 69 (1392).
[6] Follaina N., Jolyb C., Doleb P., and Bliarda C., Properties of Starch Based Blends. Part 2. Influence of Poly(vinyl alcohol) Addition and Photocrosslinking on Starch Based Materials Mechanical Properties, Carbohyd. Polym., 60: 185-192, (2005).
[7] جمشیدیکلجاهی، نسرین؛ قنبرزاده، بابک؛ دهقان­نیا، جلال؛ انتظامی، علی­اکبر؛ صوتی خیابانی، محمود، زیست­ نانوکامپوزیت بر پایه نشاسته نرم­شده شامل نانوتاربلور سلولوز و نانوذرات تیتانیم دی­اکسید: مطالعه ساختار و نفوذپذیری بخار آب، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، (3)27: 179 تا 192 (1393).
[8]Rosa D., Guedes C.G.F., and Carvalho C., Processing and Thermal, Mechanical and Morphological Characterization of Postconsumer Polyolefins/Thermoplastic Starch Blends,
J. Mater. Sci., 42: 551-557 (2007).
[9] Scott G., "Polymers and the Environment", Springer, Royal Society of Chemistry, (1999).
[10] ارومیه­اى، عبدالرسول؛ طاهرزادهلارى، طاهره؛ کلاته، خدیجه، مطالعه ویژگى­هاى فیزیکى ـ مکانیکی فیلم­های تهیه شده از مخلوط پلی­اتیلن و نشاسته، نشریهپژوهش­های شیمی کاربردی، (4)15: 83 تا 103 (1389).
[11]Albertson A.C., Barenstedt C., Karlsson S. and Lindberg T., Degradation Product Pattern and Morphology Changes as Means to Differentiate Abiotically and Biotically Aged Degradable Polyethylene, Polymer, 36: 3075-3083 (1995).
[12] Villar M.A., Thomas E.L. and Armstrong R.C., Rheological Properties of Thermoplastic Starch and Starch/Poly (ethyleneco-vinyl alcohol) Blends, Polymer, 36: 1869-1876 (1995).
[13] Vaidya V.R. and Bhattacharya M., Properties of Blends of Starch and Synthetic Polymers Containing Anhydride Groups, J. Appl.Polym. Sci., 52: 617-628 (1994).
[14] Lawrence S.S.T., Wali P.S. and Willet J. L., Starch-Filled Ternary Polymer Composites. I: Dynamic Mechanical Properties, Polym.Eng. Sci., 43: 1250-1260 (2003).
[15] Raj B. and Sankar U.K., Low Density Polyethylene/Starch Blend Films for Food Packaging Applications, Adva. Polym.Technol., 23: 32-45 (2004).
[16] Rodriguez-Gonzalez F. J., Ramsay B. A., Favis B.D., High Performance LDPE/Thermoplastic Starch Blends: A Sustainable Alternative to Pure Polyethylene, Polymer, 44: 1517-1528 (2003).
[17] محمدی، محسن؛ باریکانی، مهدی، بررسی اختلاط، شکل شناسی و خواص مکانیکی آمیزه­های پلی­اتیلن ـ نشاسته ـ پلی­کاپرولاکتون، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، (3)18: 181 تا 190 (1384).
[18] ثابت­زاده، مریم؛ باقری، روح­الله؛ معصومی، محمود، تهیه و بررسی ویژگی­های آمیخته­های پلی­اتیلن سبک ـ نشاسته گرما­نرم؛ قسمت دوم: رفتار جذب آب، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)32: 25 تا 30 (1392).
[19] چگنی، اسماء؛ بهرامی، علی؛ خانی، مجتبی؛ غفاری، محمد داوود، بررسی ساز و کار اثر منبع نیتروژن موجود در محیط کشت روی PH محیط و تولید پلی­گاماگلوتامات توسط فلاووباکتریوم، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)34: 87 تا 96 (1394).
[20] پروینزاده، مازیار، آب­کافت آنزیمی الیاف نایلون 66 با استفاده از آنزیم پروتئاز، نشریه پژوهش­های شیمی کاربردی، (4)13:  13 تا 22 (1389).
[21]Garcia M.A., Martino M.N., Zaritzky N.E., Microstructural Characterization of Plasticized Starch‐Based Films, Starch, 52: 118-124 (2000).
[22]Rosa D., Guedes C.G.F., and Carvalho C., Processing and Thermal, Mechanical and Morphological Characterization of Post-Consumer Polyolefins/Thermoplastic Starch Blends, J. Mater. Sci., 42: 551-557 (2007).
[23]Raquez J.M., Nabar Y., Narayan R., and Dubois P., In Situ Compatibilization of Maleated Thermoplastic Starch/Polyester Melt‐Blends by Reactive Extrusion, Polym. Eng. Sci., 48: 1747- 1754 (2008).
[24] رحیمیبندرآبادی، سعید؛ احسانینمین، پروین؛ قاسمی، اسماعیل؛ عزیزی، حامد؛ کرابی، محمد، سازگاری، شکل شناسی، خواص مکانیکی و زیست­تخریب­پذیری آمیخته­های پلی (استیرن ـ اتیلن ـ پروپیلن ـ استیرن)ـ نشاسته گرما­نرم اصلاح شده، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، (4)29: 311 تا 321 (1395).
[25] Raquez S.F., Mujyambere J.M.V., and Liu M., Synthesis of Carboxymethyl Starch with High Degree of Substitution by a Modified Dry Process, Adv. Mater. Res., 233: 306-310 (2011).
[26] Wang S., Yu J. and Yu J., Influence of Maleic Anhydride on the Compatibility of Thermal Plasticized Starch and Linear Lowdensity Polyethylene, J. Appl. Polym. Sci., 93: 686-695 (2004).
[27] Rodriguez-Gonzalez F.J., Ramsay B.A., Favis B.D., High Performance LDPE/Thermoplastic Starch Blends: A Sustainable Alternative to Pure Polyethylene, Polymer, 44: 1517-1526 (2003).
[28] غفوری، مرتضی؛ محمدی، ناصر؛ غفاریان، سید رضا، بررسی اثر سازگار­کننده بر چسبندگی پلی­اتیلن به نشاسته نرم­شده، مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، (3)19: 217 تا 223 (1385).
[29] Gunawan, E. R., Basri, M., Rahman, M., Study on Response Surface Methodology (RSM) of Lipase-Catalyzed Synthesis of Palm-Based Wax Ester, Enzyme Microb. Technol., 37: 739–744 (2005).
Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran
Volume 37, Issue 3 - Serial Number 89
October 2018
Pages 237-250

Files

Share

How to cite

Statistics