Evaluación de biodegradación de poli (ácido láctico) relleno con nanopartículas de titania funcionalizadas (PLA / TiO2) en condiciones de compostaje

Resumen

Este artículo presenta un estudio de biodegradación realizado durante 90 días en condiciones de compostaje controlado estandarizado de poli (ácido láctico) (PLA) relleno con nanorrelleno de anatasa-titania funcionalizado (PLA / TiO ₂ nanocompuestos). La morfología de la superficie, las propiedades térmicas, el porcentaje de biodegradación y los cambios de peso molecular en diferentes tiempos de incubación se evaluaron mediante inspección visual, microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y permeación en gel. cromatografía (GPC) tomando muestras degradadas del compost al final del intervalo de tiempo de biodegradación objetivo. El rápido aumento de la cristalinidad indicó que el PLA y PLA / TiO ₂ Los nanocomposites tenían mecanismos de degradación heterogéneos en condiciones controladas de compostaje. La tasa de biodegradación de PLA / TiO ₂ nanocomposites fue más alto que el del PLA puro porque las moléculas de agua penetraron fácilmente en los nanocomposites. La dispersión de las nanopartículas en PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos afectaron la tasa de biodegradación del PLA. Además, la biodegradación del PLA podría controlarse añadiendo una cantidad de TiO ₂ disperso nanorellenos en condiciones controladas de compostaje.

Introducción

El poli (ácido láctico) (PLA), un polímero sintético biodegradable, se investiga en todo el mundo para aplicaciones biomédicas y de consumo debido a la creciente necesidad de materiales renovables que sean alternativas sostenibles a los productos derivados de la petroquímica [1, 2, 3, 4]. El PLA es el producto que resulta de la polimerización de lactida o ácido láctico, que es el ácido carboxílico más producido en la naturaleza por fermentación microbiana de carbohidratos [5]. Sin embargo, la aplicabilidad del PLA ha sido relativamente limitada debido a que su temperatura de distorsión por calor, dureza y tasa de degradación no son satisfactorias [6, 7]. Uno de los métodos para resolver estos inconvenientes es modificar el PLA agregando nanopartículas inorgánicas, incluidas las típicas nanoarcillas, nanotubos de carbono, óxido de zinc y anatasa (A-TiO ₂ ) [8,9,10,11,12,13,14,15]. Recientemente, el PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos fueron preparados por nosotros mediante la fusión de PLA con TiO ₂ químicamente modificado (solución TiO ₂ injertado con ácido láctico , en lo sucesivo denominado g-TiO ₂ ) [dieciséis]. Los resultados mostraron que TiO ₂ Las nanopartículas tuvieron un efecto significativo en la mejora de las propiedades mecánicas del PLA / TiO ₂ mezclas, como la deformación a la rotura y la elasticidad, en comparación con el PLA puro. Al mismo tiempo, g-TiO ₂ Las nanopartículas tuvieron una gran influencia en la degradación hidrolítica y la fotodegradación del PLA [17, 18].

El estudio de la biodegradabilidad y el mecanismo de biodegradación de materiales biodegradables mediante ensayos a escala de laboratorio es un método extremadamente importante desde el punto de vista industrial y científico que permite comprender la vida útil de estos materiales [15]. Actualmente existen varios métodos para evaluar la biodegradabilidad de los materiales biodegradables, que en general se basan en una medición indirecta, como la producción de dióxido de carbono, la generación de biogás o el consumo de oxígeno [19, 20].

Se han estudiado e informado las características de biodegradación del PLA en el compost [21,22,23]. El compostaje es una biodegradación acelerada de materiales orgánicos en un ambiente cálido, húmedo y aeróbico bajo una combinación de población microbiana y condiciones controladas de compostaje [24, 25]. Además, la biodegradación del PLA en condiciones de compostaje, un proceso dependiente de la temperatura y la humedad, implica varios procesos, a saber, la absorción de agua, la escisión del éster y la formación y disolución de fragmentos de oligómeros [26]. El mecanismo de biodegradación del PLA más aceptado implica un proceso de degradación de dos pasos. Inicialmente, el calor y la humedad en el compost atacan las cadenas de PLA y las separan, produciendo así pequeños polímeros de Mw y, finalmente, ácido láctico. A partir de entonces, los microorganismos en el compost y el suelo mineralizan los fragmentos de oligómeros y el ácido láctico para generar metano y dióxido de carbono (CO ₂ ) en condiciones anaeróbicas y aeróbicas, respectivamente [27,28,29].

Recientemente, el efecto de los rellenos sobre la biodegradación del PLA ha atraído gran atención y se ha prestado especial atención a los nanorrellenos, como las nanoarcillas, los nanotubos de carbono y la hidroxiapatita [23, 30,31,32,33,34,35,36, 37,38]. Algunos autores [32,33,34] descubrieron que la adición de nanopartículas podría acelerar la biodegradación del PLA, que se atribuyó a la alta hidrofilicidad relativa de las nanopartículas, permitiendo así la fácil permeabilidad del agua en la matriz polimérica y desencadenando la degradación hidrolítica. Sin embargo, otros estudios [35,36,37,38] informaron que la biodegradación se retrasó debido a las propiedades de barrera mejoradas de los nanocompuestos.

Aunque ha habido algunas publicaciones que se centran en la biodegradación de los materiales PLA, el papel que desempeña el TiO ₂ juega en la degradación del PLA sigue siendo controvertido. ¿Cómo el TiO ₂ Las nanopartículas afectan la biodegradación del PLA no estaba claro. Entonces, un estudio de biodegradación de PLA, modificado por TiO ₂ nanorellenos en condición de compost, todavía se necesitan. El estudio actual, basado en la estimación de la evolución de CO ₂ , evaluó la biodegradación de PLA / TiO ₂ nanocomposites extensivamente bajo condiciones controladas de compostaje de laboratorio, un complemento de degradabilidad del PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos bajo diferentes condiciones de degradación podrían extender el uso de PLA en varias aplicaciones de uso final en el futuro.

Métodos

Materiales

PLA (fabricado por Natureworks ^@ (4032D)) exhibió un peso molecular promedio en peso (Mw) de 19.600 kDa y una polidispersidad de 1,89 según se determinó mediante cromatografía de permeación en gel (GPC). PLA se secó a 65 ° C durante 24 h a presión reducida y se almacenó al vacío con absorbente de humedad antes de su uso. Se destiló ácido láctico (88%, Guangshui National Chemical Co.) a 80 ° C para eliminar el agua antes de su uso. Las nanopartículas de titania anatasa, con un tamaño medio de partícula primaria de aprox. 20 nm, fueron suministrados por Pangang Co., Ltd. Se usaron tolueno y cloroformo tal como se recibieron. La celulosa microcristalina de grado cromatográfico fue suministrada por Shanghai Chemical Reagent Co., Ltd. Los inóculos de compostaje, que se obtuvieron de una fracción orgánica de desechos sólidos urbanos (RSU), fueron suministrados por el Comité Profesional de Plásticos Degradables de la Asociación de la Industria de Procesamiento de Plásticos de China ( CPPIA).

Preparación de la muestra

Información detallada sobre la funcionalización del TiO ₂ nanopartículas y preparación de PLA / TiO ₂ Se ha informado de nanocomposites [16]. G-TiO ₂ Los nanorrellenos se prepararon injertando oligómero de ácido láctico en la superficie de la anatasa. PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos se prepararon mezclando en estado fundido mediante una extrusora de doble tornillo giratorio. El PLA puro se sometió al mismo tratamiento de mezcla para tener el mismo historial térmico que los nanocompuestos. Las muestras con 0, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 8.0 y 15.0% en peso de g-TiO ₂ fueron preparados y etiquetados como PLA, PLA / TiO ₂ –0,5, PLA / TiO ₂ –1, PLA / TiO ₂ –2, PLA / TiO ₂ –5, PLA / TiO ₂ –8 y PLA / TiO ₂ –15 nanocompuestos.

Pequeñas muestras de virutas de PLA y g-TiO ₂ a diferentes proporciones se convirtieron en láminas de aproximadamente 0,5 mm de espesor presionando a 190 ° C durante 4 min bajo 10 MPa seguido de enfriamiento a temperatura ambiente durante 5 min bajo 5 MPa. Posteriormente, las muestras moldeadas por compresión se cortaron en un tamaño de 5 mm × 5 mm y se pesaron.

Pruebas de degradación

Se realizó una prueba de biodegradación en una instalación a escala de laboratorio basada en métodos de prueba estándar diseñados para plásticos biodegradables (GB / T19277-2003 / ISO 14855-1:2005) (determinación de la biodegradabilidad aeróbica final de los materiales plásticos en condiciones controladas de compostaje:método por análisis de CO ₂ evolucionado ). La mayor parte del carbono en los sustratos metabolizados genera energía a través de la transformación química en CO ₂ en entornos aeróbicos [39]. Por lo tanto, las mediciones de la generación de CO ₂ se consideran la medida de biodegradación más apropiada en la mayoría de las circunstancias. La norma especifica un procedimiento para determinar la biodegradabilidad aeróbica final midiendo la cantidad de CO ₂ desprendido y porcentaje del grado de biodegradación de los materiales de prueba en condiciones controladas de compostaje. El inóculo de compostaje se obtuvo a partir de una fracción orgánica de RSU, que se tamizó a tamaños inferiores a 5 mm. Posteriormente, la fracción fina se utilizó como inóculo. La Tabla 1 muestra las propiedades fisicoquímicas determinadas de los inóculos de compostaje. En cada prueba, se cargó una serie de reactores de compostaje (cada muestra por triplicado) con 15 g del material de referencia (es decir, celulosa microcristalina (MCE), que fue sugerida por la norma) o material de prueba (cada película ponderada y etiquetada antes degradación), 85 g de inóculo y 320 g de arena marina seca (proporciona buenas condiciones homogéneas y un ambiente aeróbico mejorado dentro del inóculo). Posteriormente, los reactores se colocaron en una incubadora sin luz a 58 ± 2 ° C durante un tiempo de experimento de 90 días. La aireación se inició con CO ₂ saturado de agua -Aire libre; el caudal a través de cada reactor se fijó en 25 mL · min ⁻¹ . La humedad, la mezcla y la aireación en todos los reactores se controlaron según lo establecido por los requisitos GB / T19277–2003 / ISO 14855-12,005. En momentos seleccionados, se seleccionaron de tres a cuatro especímenes de cada muestra, se lavaron con agua destilada y se secaron a temperatura ambiente por lo menos 24 h hasta peso constante.

El CO ₂ que evolucionó durante el proceso de biodegradación se atrapó en soluciones de NaOH y se midió a intervalos regulares utilizando el método de titulación. El NaOH se valoró con una solución estándar de HCl hasta el punto final de fenolftaleína. El CO total ₂ evolucionado durante la biodegradación se calculó con referencia al matraz de control. Los datos reportados para cada muestra fueron el valor medio obtenido de tres muestras.

Caracterización

Examen microscópico

Se obtuvieron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un instrumento Philips FEI INSPECT F operado a 5 kV. Todas las muestras se recubrieron por pulverización catódica con oro antes del análisis.

Análisis térmico

Las propiedades térmicas de las muestras se estudiaron mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) (TA Q20, TA Instruments). Los termogramas se obtuvieron bajo un flujo de nitrógeno (50 ml / min) a una velocidad de calentamiento y enfriamiento de 10 ° C / min en el rango de temperatura de la temperatura ambiente a 200 ° C y de 200 a - 50 ° C, respectivamente.

Estudios XRD

Los análisis de difracción de rayos X (XRD) se realizaron utilizando un difractómetro de rayos X DX-1000 (Dandong Fanyuan Instrument Co. LTD. China) equipado con un Cu K _α ( λ =0,154 nm) fuente. El generador se hizo funcionar a 25 mA y 40 kV. Las muestras se escanearon en diferentes ángulos (es decir, de 2 a 70 °) a una velocidad de escaneo de 6 ° / min.

Determinación del porcentaje de biodegradación ( D _t ,%)

Porcentaje de biodegradación ( D _t ,%) podría calcularse utilizando la ecuación. 1, que fue adoptado como para Eq. 2 [1, 40].

$$ {D} _t \ left (\% \ right) =\ frac {{\ left ({\ mathrm {CO}} _ 2 \ right)} _ T - {\ left ({\ mathrm {CO}} _ 2 \ right )} _ B} {{\ mathrm {Th}} _ {\ mathrm {CO} 2}} \ times 100 $$ (1)

donde (CO ₂ ) _T es la cantidad de CO ₂ (en g / matraz) desprendido de los materiales de prueba, (CO ₂ ) _B es la cantidad de CO ₂ (en g / matraz) desprendidos en el matraz de control, y Th _CO2 es el CO ₂ teórico cantidad producida por los materiales poliméricos.

El CO ₂ teórico cantidad que se puede producir en cada matraz (Th _CO2 , g ² / g muestra) se calculó mediante la siguiente ecuación:

$$ {\ mathrm {Th}} _ {\ mathrm {CO} 2} ={M} _ {\ mathrm {TOT}} \ times {C} _ {\ mathrm {TOT}} \ times \ frac {44} {12} $$ (2)

donde M _TOT es el peso total (g) del material de sólidos poliméricos secos agregado al matraz de compostaje al comienzo del experimento, C _TOT es el peso (g) del carbono orgánico total en el total de sólidos poliméricos secos en la muestra, y 44 y 12 son la masa molecular de CO ₂ y masa atómica de C , respectivamente.

Medición de peso molecular

Los pesos moleculares de los nanocompuestos de PLA antes y después del compostaje se determinaron mediante GPC. El sistema GPC estaba equipado con una bomba de HPLC isocrática Waters 1515, un detector de índice de refracción Waters 2414 y un muestreador automático Waters 717 plus. Se utilizó cloroformo como eluyente a un caudal de 0,8 ml / min a 30ºC. La calibración se realizó con patrones de poliestireno.

Resultados y discusión

La degradación del polímero está asociada con cambios en las características, como el color, la morfología de la superficie y las propiedades mecánicas. Los cambios temporales en la apariencia del PLA puro y PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos eran diferentes en condiciones de laboratorio. Las superficies de la matriz de PLA puro, que inicialmente eran transparentes de acuerdo con la estructura amorfa, se volvieron relativamente blanquecinas después de 2 días de biodegradación [41]. Esta característica aumentó con el tiempo de incubación hasta la opacidad completa después de 10 días. Después de 30 días, comenzaron a observarse placas de color amarillo a marrón oscuro, causadas por la permeación del agua y la incubación de microorganismos, en la superficie de las películas de PLA limpias. Sin embargo, una gran área de placas de color marrón oscuro emergió en la superficie del nanocompuesto de PLA después de 6 días (no se mostró la figura). Las manchas marrones implican las colonias de microorganismos y las grietas representan el efecto de biodegradación. La Figura 1 muestra la morfología de la superficie de PLA y su TiO ₂ nanocomposites bajo observación SEM. Antes de la degradación, la superficie de PLA / TiO ₂ puro y los nanocomposites eran lisos. El PLA puro no presentó cambios significativos en la superficie luego de 5 días de biodegradación en condiciones de compost. Después de 20 días, la rugosidad de la superficie del PLA puro aumentó (Fig. 1a, a ’). Sin embargo, PLA / TiO ₂ nanocompuesto exhibió cambios progresivos que muestran claramente que la degradación considerable de PLA / TiO ₂ se produjo el compuesto. Se observaron grietas y vacíos obvios (Fig. 1b, b ’; c, c’; yd, d ’; respectivamente) en la superficie de los nanocompuestos. Esto podría deberse a la hidrólisis de PLA y actividades de microorganismos. Con el aumento del tiempo de incubación, las grietas y los huecos se volvieron sustancialmente profundos y grandes (Fig. 1 b ’, c’ yd ’, respectivamente), lo que sugiere una pérdida de cadena y erosión de la superficie a medida que avanza el tiempo. El fenómeno de erosión masiva para todos los materiales de prueba fue similar al proceso de degradación hidrolítica del PLA y PLA / TiO ₂ nanocompuestos [17].

Fotografía SEM de la superficie de PLA puro ( a ⁰ , un , a ’ ), PLA / TiO ₂ –2 ( b ⁰ , b , b ’ ), PLA / TiO ₂ –5 ( c ⁰ , c , c ’ ) y PLA / TiO ₂ –8 ( d ⁰ , d , d ’ ) nanocomposites en función del tiempo de incubación. un ⁰ , b ⁰ , c ⁰ , d ⁰ :0 día; un , b , c , d :5 dias; a ’ , b ’ , c ’ , d ’ :20 días

Evaluar la cristalinidad del PLA y PLA / TiO ₂ nanocomposites durante la biodegradación, las muestras seleccionadas en diferentes tiempos de incubación fueron analizadas para sus propiedades térmicas (Figs. 2 y 3). La Figura 2 muestra que la temperatura de transición vítrea ( T _g ) disminuyó ligeramente para todas las muestras con tiempo de degradación. La disminución de T _g se debió claramente a una mayor movilidad de las moléculas, como consecuencia del proceso de hidrólisis y el efecto plastificante de los fragmentos de oligómeros y el agua durante la biodegradación [33, 42]. La desaparición del pico de cristalización en frío ( T _cc ) para todas las muestras solo después de 2 días podría atribuirse a la hidrólisis de PLA y al rápido aumento de la cristalinidad de la matriz polimérica [43]. La disminución de T _m se atribuyó a la rápida reducción de la masa molecular [44, 45]. El pico de fusión bimodal cambió gradualmente a pico monomodal, lo que implica que los cristales pequeños e imperfectos desaparecieron con el tiempo de degradación. Este resultado demostró que la degradación de PLA procedió rápidamente en las regiones amorfas durante la etapa inicial de degradación bajo condiciones controladas de compostaje. La exploración de enfriamiento (ver Fig. 3) muestra que el pico de cristalización del PLA puro aumentó gradualmente. Sin embargo, los picos de cristalización de PLA / TiO ₂ Los nanocomposites inicialmente aumentaron significativamente y luego disminuyeron ligeramente con un aumento en el tiempo de incubación. Además, cuanto mayor era el contenido de nanorrellenos, antes llegaban los picos de cristalización a su punto máximo. La disminución del pico de cristalización verificó además que la región cristalina comenzó a degradarse después de la degradación de la región amorfa. Giuliana y Roberto [42] informaron que en tiempos cortos para la muestra de PLA algunas regiones amorfas se transforman en cristal, luego el grado de cristalinidad aumenta debido al efecto de la erosión de las partes amorfas. Además, las regiones cristalinas se someten a hidrólisis en tiempos prolongados.

Termogramas DSC de productos de biodegradación de PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocomposites en diferentes tiempos de incubación, primer escaneo de calentamiento

Termogramas DSC de PLA puro biodegradado y PLA / TiO ₂ nanocomposites en diferentes tiempos de incubación, escaneo de enfriamiento

XRD proporciona un método ideal para monitorear cambios en la cristalización de polímeros durante la degradación. Los patrones de XRD del PLA y sus nanocompuestos (Fig. 4) muestran que la matriz del polímero mantiene una estructura amorfa antes de la biodegradación. Solo después de 2 días, dos picos fuertes a 2 θ =16,4, 18,5 °, 20,9 ° y 23,6 ° aparecieron claramente y su intensidad aumentó con el tiempo de incubación. Este resultado implicó que se formaron estructuras cristalinas de tipo poli (L-lactida) o poli (D-lactida) [46, 47]. El cambio del pico cristalino indicó que las regiones amorfas se degradaron más rápidamente que las regiones cristalinas, lo que aumentó el valor de la relación entre regiones cristalinas y amorfas. Este resultado fue consistente con los resultados de DSC y el cambio de transparencia de las muestras.

Patrones XRD de PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocomposites en diferentes tiempos de incubación

La evaluación de la validación del inóculo es crucial durante la biodegradación en condiciones de compostaje. La actividad del inóculo se midió según lo requerido por el método estándar: D _t del material de referencia debe ser al menos del 70% al final de los 45 días de prueba. El inserto en la Fig. 5 muestra que MCE comienza a biodegradarse después de 5 días, y el porcentaje de biodegradación es de hasta 72% al final de los 45 días de incubación. Estos resultados indicaron que MCE en el experimento fue eficaz como material de referencia. En el experimento, los recipientes de compostaje duplicados mostraron una buena reproducibilidad (desviación estándar ± 1,3%). La figura 5 muestra D _t para PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocomposites durante la incubación. Se observó un comportamiento similar para PLA y PLA / TiO ₂ nanocompositos, es decir, se observó primero una fase de retraso que luego es seguida por un aumento lineal pronunciado en la biodegradación y luego por una fase de meseta para todas las muestras. La brusquedad del aumento debería ser indicativo de una mayor degradación. Sin embargo, las curvas indicaron que la fase de retraso de los nanocomposites era un poco más corta que la del PLA puro. Este resultado indicó la presencia de TiO ₂ , en cierto grado, aceleró la fase inicial de degradación y aumentó el porcentaje de CO ₂ producido al final del período de incubación. Después de 80 días de incubación en condiciones controladas de compostaje, D _t para PLA, PLA / TiO ₂ –1, PLA / TiO ₂ –2, PLA / TiO ₂ –5, PLA / TiO ₂ –8 y PLA / TiO ₂ –15 alcanzó hasta 78,9, 86,9, 92,0, 97,8, 91,3 y 85,0%, respectivamente. Kunioka y col. [48] informó que la biodegradabilidad final del PLA era del 80%. Los resultados de nuestro experimento mostraron que D _t del producto PLA comercialmente puro fue también casi el 80% al final de los 80 días. La disminución de D _t comenzando desde PLA / TiO ₂ –8 se atribuye a la intensa aglomeración de TiO ₂ cuando su contenido era superior al 8% en peso [16]. En la siguiente sección se presentan más detalles.

Porcentaje de biodegradación en función del tiempo de incubación para PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocomposites. El inserto es el porcentaje de biodegradación en función del tiempo para la celulosa microcristalina

Los diferentes porcentajes de biodegradación están relacionados con los diferentes cambios de peso molecular de la matriz polimérica. La Figura 6 muestra el cambio de peso molecular de las muestras en función del tiempo de incubación. Las curvas muestran que los cambios de Mn en el PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos fueron similares (es decir, una rápida disminución de Mn seguida de una fase de meseta de casi un Mn constante) al menos en el tiempo de incubación determinado. Para explorar los mecanismos de degradación causados por la adición de nanorrellenos, se utilizó un modelo que tiene en cuenta la autocatálisis de los grupos terminales de ácido carboxílico generados para calcular la constante de velocidad de degradación catalizada de acuerdo con la referencia [17, 49]:

$$ \ ln {M} _ {nt} =\ ln {M} _ {n0} - kt $$ (3)

donde k es constante la tasa de degradación hidrolítica catalizada, M _n0 es el peso molecular promedio en número antes de la degradación, M _nt es el peso molecular medio numérico en cualquier momento.

Cambio de Mn en función del tiempo para PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocompuestos

El k valores evaluados por Eq. (3) se representan en la Fig. 7. A partir de la Fig. 7, la tasa de degradación de los nanocompuestos PLA y PLA podría identificarse en dos y tres fases, respectivamente. El manganeso disminuyó rápidamente durante los primeros 8 días y, a partir de entonces, siguió una fase de meseta para el PLA puro. Para PLA / TiO ₂ nanocomposites, los valores más altos de k significa que M _n disminuyó rápidamente en la primera fase (es decir, de 0 a 4 días). Los siguientes 5 a 24 días se asignan a la segunda fase y los valores de k disminuyó ligeramente en comparación con la primera fase. Pocos estudios [13, 50] mostraron que la parte cristalina del PLA era más resistente a la degradación que la parte amorfa; por lo tanto, la disminución en k en esta fase podría deberse al aumento de cristalinidad de la matriz de PLA. Después de 24 días (es decir, la última fase), el valor de k disminuyó de nuevo. En esta etapa, el polímero se degradó completamente en fragmentos de oligómeros o ácido láctico, y los microorganismos mineralizaron los materiales restantes para generar CO ₂ de forma continua. .

Tasa de biodegradación versus tiempo de incubación para PLA puro y PLA / TiO ₂ nanocompuestos

En condiciones de compostaje, los factores que afectan la tendencia a la biodegradación del PLA controlarían la degradación del PLA / TiO ₂ nanocomposites. Cuando una cantidad de g-TiO ₂ se dispersó homogéneamente en la matriz de PLA, las moléculas de agua penetraron fácilmente dentro de las muestras para desencadenar el proceso de degradación [17]. En consecuencia, Mn disminuyó sustancialmente en la primera fase. La evolución de la fase de retraso del CO ₂ para PLA y sus nanocomposites durante este período indicó que los microorganismos necesitan cadenas de polímeros adecuadas para mineralizarse. Con un mayor tiempo de incubación, las cadenas de polímero en las regiones amorfas se degradaron y el número de regiones amorfas disminuyó; por lo tanto, el porcentaje de cristalino a la región amorfa (es decir, χ _c ) aumentó [39], lo que provocó una disminución de k en la segunda fase. Sin embargo, los fragmentos de oligómeros comenzaron a ser mineralizados por microorganismos en esta etapa, lo que indica que ocurrió la fase productiva para la mineralización de PLA. Con la disminución de los fragmentos oligoméricos restantes y el aumento de χ _c , k y D _t disminuyó y se observó una fase de meseta casi larga para k y D _t en la tercera etapa. En nuestro estudio anterior [16], la morfología de cada nanocompuesto se informó y se determinó mediante SEM y TEM; los resultados mostraron que la dispersión de g-TiO ₂ con menos del 5% en peso en PLA / TiO ₂ nanocomposites fue mejor que el obtenido con una alta concentración de nanorrellenos. En términos de dispersión y contenido de TiO ₂ , PLA / TiO ₂ –5 tenían el k más grande y D _t en comparación con los otros nanocompuestos de nuestro experimento.

Conclusiones

PLA / TiO ₂ Se prepararon nanocomposites (basados en PLA y g-TiO ₂ funcionalizado ) y sometidos a biodegradación en condiciones controladas de compostaje. Usando tal estándar, la información de patrones en la superficie de las muestras y el rápido aumento de cristalinidad indicó que el PLA y PLA / TiO ₂ Los nanocompuestos tenían mecanismos de biodegradación heterogéneos. El estudio de degradación de nanocomposites en condiciones de compostaje mostró que el carácter degradable inherente del PLA se mantuvo después de la incorporación de nanopartículas de titania funcionalizadas (PLA / TiO ₂ ). La adición de TiO ₂ Las nanopartículas aumentaron la tasa de degradación de la matriz de PLA porque las moléculas de agua penetraron fácilmente en el PLA / TiO ₂ nanocomposites, activando así el proceso de degradación. Este fenómeno fue particularmente evidente para PLA / TiO ₂ –5 debido a su alto TiO ₂ contenido y buena dispersión de TiO ₂ nanorellenos en la matriz PLA en comparación con otros nanocompuestos.