Zeitschrift für Thermodynamik und Katalyse
Offener Zugang

Abstrakt

Thermische Abbaukinetik von Nanobiokompositen auf Basis von Poly(3-hydroxybutyrat)/Cellulose-Nanokristallen

Prodyut Dhar, Sai Phani Kumar Vangala, Pankaj Tiwari, Amit Kumar und Vimal Katiyar

Nanobiokomposite aus Polyhydroxybutyrat (PHB)/Zellulose-Nanokristallen (CNCs) werden durch ein Lösungsmittelaustausch-/Lösungsgussverfahren bei verschiedenen Ladungsanteilen hergestellt. Die Auswirkungen der CNC-Beladung auf die Dispersion in der Polymermatrix werden untersucht. Durch saure Hydrolyse von Zellulosebrei aus Bambus (Bambusabalcooa) entstehen kristalline, stäbchenförmige CNCs mit einer Breite im Bereich von 10–20 nm und einer Länge von 300–400 nm. Morphologische und Röntgenbeugungsstudien (XRD) zeigten eine verbesserte Grenzflächenhaftung von PHB mit Hydroxylgruppen auf der CNC-Oberfläche bei einer Schwellenbeladung von 3 Gew.-%. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) zeigte, dass die thermische Stabilität der Nanobiokomposite (PHB/CNC) bei einer CNC-Beladung von 3 Gew.-% im Vergleich zu reinem PHB leicht verbessert war. Des Weiteren wird die kinetische Analyse der PHB/CNC-Nanobiokomposite bei verschiedenen Beladungen mithilfe isokonversioneller Methoden untersucht, um das kinetische Triplett vorherzusagen. Die aus isokonversionellen Methoden unter Verwendung der Modelle Ozawa Flynn Wall (OFW) und Kissinger Akahira Sunose (KAS) vorhergesagten kinetischen Parameter zeigten, dass die Aktivierungsenergie nicht signifikant mit dem Grad der Degradation variiert, was zeigt, dass die Gesamtdegradation einem einstufigen Mechanismus folgt. Die aus den Modellen OFW und KAS vorhergesagten Aktivierungsenergiewerte liegen im Bereich von 100–130 kJ/mol. Die Aktivierungsenergiewerte sind bei höheren CNC-Beladungen hoch, was auf eine Verbesserung der thermischen Degradationsrate aufgrund der Agglomeration von CNCs hinweist. Das Phänomen der thermischen Degradation wird mithilfe der Coats-Redfern-Methode unter Berücksichtigung von phasengrenzgesteuerten Modellen, einem Reaktionsmodell erster Ordnung und einem Potenzgesetzmodell weiter untersucht. Die Gesamtuntersuchung und der Vergleich der kinetischen Parameter führten zu dem Schluss, dass der thermische Degradationsmechanismus von PHB/CNC-Nanobiokompositen phasengrenzgesteuerten Reaktionsmodellen erster Ordnung (Kontraktion des Volumens) mit einem zufälligen Kettenspaltungsmechanismus folgte