Development and characterization of PBS and PBAT biocomposites filled with Hazelnut Shells powder

This thesis investigates the potential of hazelnut shell (HS) powder as a low-cost lignocellulosic filler to enhance the mechanical performance and sustainability of biodegradable poly(butylene succinate) (PBS) and poly(butylene adipate-coterephthalate) (PBAT) composites, addressing the critical need for circular economy solutions in the packaging sector amid global plastic pollution pressures. Motivated by the intrinsic limitations of neat biopolymers (low stiffness/strength) and circular economy needs, the study evaluates 0–30 wt.% HS loadings via a comprehensive experimental framework: tensile and flexural (three-point bending) tests, thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy fractographs, and cradle-to-gate life cycle assessment (SimaPro EF 3.1). Increasing HS content leads to improved elastic modulus for both PBS and PBAT (up to +42% tensile modulus and up to +70% flexural modulus for PBS-30% HS). The tensile and flexural strength typically increased for increasing filler. SEM micrographs showed limited matrix/filler interfacial strength, supporting the mechanical interlocking reinforcing mechanism. 30 wt.% HS content reduced the overall thermal resistance and composite crystallinity, as per DSC and TGA. Mechanical recycling cycles progressively reduced composites' strength and elongation at break. LCA demonstrates HS systematically cuts environmental burdens 20–60%, with PBS-30% HS outperforming PBAT-30% HS and hydropower energetic mix scenarios yielding 23–50% climate gains. These results position HS-reinforced PBS (rigid packaging) and PBAT (flexible films) as viable petro-plastic alternatives with recyclability, tunable via advanced adhesion for industrial circularity.

Questa tesi indaga il potenziale della polvere di guscio di nocciola (HS) come riempitivo lignocellulosico a basso costo per migliorare le prestazioni meccaniche e la sostenibilità dei compositi biodegradabili a base di poli(butilene succinato) (PBS) e poli(butilene adipato-co-tereftalato) (PBAT), rispondendo al bisogno di soluzioni circolari nel settore packaging bioplastico contro l'inquinamento plastico globale. Motivato dai limiti intrinseci dei biopolimeri puri (bassa rigidità/resistenza) e dagli obiettivi di circolarità, lo studio valuta carichi di HS da 0 a 30 wt.% attraverso un quadro sperimentale completo: prove di trazione e flessione (a tre punti), analisi termogravimetrica e calorimetria differenziale a scansione, analisi morfologica delle fratture al SEM e valutazione del ciclo di vita “cradle-to-gate” (SimaPro EF 3.1). L’aumento del contenuto di HS porta a un incremento del modulo elastico per entrambi i polimeri (fino a +42% nel modulo a trazione e +70% nel modulo a flessione per PBS-30% HS). La resistenza a trazione e flessione tende ad aumentare con il contenuto di filler. Le micrografie SEM mostrano una limitata adesione all’interfaccia matrice/riempitivo, confermando un meccanismo di rinforzo basato sull’incastro meccanico. Il contenuto di 30 wt.% HS riduce la resistenza termica complessiva e la cristallinità dei compositi, come evidenziato da DSC e TGA. I cicli di riciclo meccanico determinano una riduzione progressiva della resistenza e dell’allungamento a rottura dei materiali. L’analisi LCA dimostra che l’uso di HS riduce sistematicamente gli impatti ambientali del 20–60%, con PBS-30% HS che supera PBAT-30% HS e scenari energetici idroelettrici che comportano guadagni climatici del 23–50%. Questi risultati collocano i compositi PBS rinforzati con HS (per imballaggi rigidi) e PBAT (per film flessibili) come alternative validamente sostituibili alle plastiche fossili, riciclabili e ottimizzabili tramite adesione avanzata per una reale circolarità industriale.