Thermal and UV stability of PLA nanocomposites

Abstract

Poly(lactic acid) (PLA) is a biodegradable aliphatic thermoplastic polyester well known for being a promising alternative to petroleum-based materials as it can be produced from renewable resources at low cost and recyclable to its monomer. Although this polymer has good properties compared to other biodegradable polymers, it presents some limitations, like poor thermal and mechanical resistance and limited gas barrier properties. The incorporation of nanoclays has been used as a way to overcome this problem. Since resistance to UV light is a key factor for polymeric materials used in outdoor applications, it is important to investigate the effect of these nanoparticles. Thus, the present work aims to investigate the influence of clay type (Cloisite 30B, Cloisite 15A and Dellite 43B) and amount (3 and 5 wt.%) on PLA thermal and UV stability. PLA and PLA nanocomposites prepared by melt mixing were submitted to thermo-­oxidative degradation during 120 hours and exposure to UV light in an accelerated chamber for 600 hours. Starting materials and samples removed along the degradation time were characterized by solution viscosimetry, energy-­dispersive spectroscopy (EDS), scanning electron microscopy (SEM), X-­ray diffraction (XRD), proton nuclear magnetic resonance (1H-­NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetry (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC). The prepared nanocomposites exhibited intercalated structure. However, the presence of nanoclay aggregates was detected in C15A nanocomposites. Even though after thermo-­oxidative degradation all samples exhibited a significant decrease in intrinsic viscosity, it was minor for nanocomposites containing 3 wt.% nanoclays. An increase in the crystallinity degree was also observed for degraded nanocomposites. UV ageing results showed that the presence of nanoclays in PLA matrix induces polymer photo-­degradation, as higher decrease of intrinsic viscosity and changes in chemical structure were observed. FTIR spectra of degraded C30B nanocomposites indicate that anhydride groups are formed during photo-­degradation. PLA nanocomposites prepared in the present work exhibited higher thermal stability and lower photo stability than PLA.

O ácido poli-­láctico (PLA) é um poliéster alifático biodegradável conhecido por ser um promissor substituto de materiais derivados de petróleo, uma vez que pode ser produzido a partir de recursos renováveis de baixo custo e reciclável até à obtenção do monómero. Embora este polímero apresente boas propriedades, quando comparado com outros polímeros biodegradáveis, também apresenta algumas limitações como baixa resistência térmica e mecânica e propriedades de barreira limitadas. A incorporação de nanoargilas em PLA tem sido utilizada como forma de ultrapassar estas limitações. No entanto, como a resistência à radiação é um fator chave nos materiais poliméricos quando utilizados em aplicações exteriores, é necessário investigar o efeito destas nanopartículas. Assim, o presente trabalho tem como objetivo investigar a influência do tipo de nanoargila (Cloisite 30B, Cloisite 15A e Dellite 43B) e quantidade (3 e 5 %) na estabilidade térmica e UV do PLA. Os nanocompósitos de PLA foram submetidos a 120 horas de degradação termo-­oxidativa e a 600 horas de exposição à radiação UV numa câmara de degradação acelerada. Os materiais iniciais e amostras retiradas ao longo do tempo foram caracterizados através de viscosidade de soluções, espetroscopia de dispersão de energia de raios-­X (EDS), microscopia eletrónica de varrimento (SEM), difração de raios-­X (XRD), espetroscopia de infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR), termogravimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). A caracterização das amostras iniciais mostrou que se obtiveram nanocompósitos com estrutura intercalada, mas com a nanoargila C15A verificou-­se a presença de agregados. Após degradação termo-­oxidativa, todas as amostras exibiram uma diminuição da viscosidade intrínseca, que foi menos acentuada no caso dos nanocompósitos com adição de 3% de nanoargila. Verificou-­se ainda um aumento da cristalinidade nas amostras degradadas. Nas amostras expostas à radiação UV constatou-­se que a presença de nanoargilas induziu a foto-­degradação do PLA, uma vez que ocorreu maior diminuição de viscosidade intrínseca e maiores alterações na estrutura química. Os espectros de FTIR dos nanocompósitos com C30B evidenciaram a formação de grupos anidrido durante a degradação. Os nanocompósitos de PLA preparados neste trabalho apresentam maior estabilidade térmica e menor estabilidade à radiação UV que o PLA.