Mechanical and calorimetric characterization of novel environmentally friendly copolymers

This work presents the results obtained from the calorimetric and mechanical characterization of new novel random copolyesters, constituted by butylene adipate (BA) and butylene 1,4-cyclohexanedicarboxilate (BCHD) monomers, available in two different molar ratio and of the two respective homopolymers. Besides of the composition effect, due to the availability of batches with different molecular weight, it was also studied the effect of this variable on the mechanical behaviour. The calorimetric analysis has highlighted the effect of the composition on characteristic temperatures and crystallinity of the materials and, considering literature data, has allowed to conclude that the crystalline phase of the copolymers is essentially constituted by only the BCHD monomer while the BA constitutes the amorphous phase. From uniaxial tensile tests it was possible to obtain a significant effect of the molecular weight on the PBA and copolymers yielding mechanisms, whereby only above a similar threshold value for all the materials plastic flow and following strain hardening were observed after yielding. This phenomena, together with the dependence of Young’s Modulus, stress and strain yielding – for materials with similar molecular weight- from polymer composition seems to be in agreement with the model suggested by the calorimetric results. On the other hand, toughness was determined through the essential work of fracture method. Because of the limited availability of material, fracture tests were performed only on one copolymer and on the commercial copolymer (Ecoflex). As a result it was noticed that the new material has a higher toughness than Ecoflex and comparable with the literature reported value for PE. The field of applications of these materials is food and agricultural packaging, which traditionally employs PE and another innovative films (Ecoflex). The aim of the use of PBA-co-PBCHD copolymer is the substitution of those traditional materials in order to achieved a higher biodegradability rate, maintaining the same performance.The results show the high potential of these studied novel copolymers as a future replacement of materials already in use.

In questo studio sono presentati i risultati della caratterizzazione calorimetrica e meccanica di nuovi copoliesteri random, costituiti da butilene adipato (BA) e da butilene 1,4-cicloesanodicarbossilato (BCHD), disponibili con due diverse frazioni molari, e dei due omopolimeri corrispondenti. Oltre all’effetto della composizione, data la disponibilità di lotti a diverso peso molecolare, si è considerato anche l’effetto di tale variabile sul comportamento meccanico. L’analisi calorimetrica ha evidenziato l’effetto della composizione sulle temperature caratteristiche e sulla cristallinità dei materiali e, insieme a dati di letteratura, ha permesso di ipotizzare che nei copolimeri la fase cristallina sia costituita essenzialmente da segmenti di BCHD, mentre il BA vada a costituire essenzialmente la fase amorfa. Da prove di trazione uniassiale si è potuto riscontrare un effetto significativo del peso molecolare sui meccanismi di snervamento del PBA e dei copolimeri, per cui solo al di sopra di un valore di soglia, simile per tutti i materiali, si osserva, dopo lo snervamento, un flusso plastico e un successivo “strain hardening”. Tale fenomeno, insieme alla dipendenza di modulo e di sforzo e deformazione di snervamento – per materiali di pari peso molecolare – dalla composizione del polimero, sembra essere in accordo con il modello suggerito dai dati calorimetrici. La tenacità è stata invece determinata impiegando il metodo del lavoro essenziale di frattura. Le prove, effettuate per mancanze di materiale solo su un copolimero e su un copoliestere commerciale (Ecoflex), hanno dimostrato che il nuovo materiale ha una tenacità più elevata e confrontabile con quella di PE riportata in letteratura. Il campo di applicazione di questi materiali è quello del packaging, con sbocco nei campi alimentare ed agricolo, al fine di sostituire materiali tradizionali, come il PE, o innovativi, come l’Ecoflex, garantendo un tasso di biodegradabilità maggiore a parità di altre prestazioni rispetto ai materiali già in uso. I risultati di questo lavoro dimostrano la potenzialità dei materiali studiati come sostituti dei materiali attualmente in uso in campo alimentare e agricolo.