Heterostereocomplexatie: een nieuw ontwerpprincipe voor de optimalisatie van polymelkzuurmaterialen.

Aardolie gebaseerde kunststoffen bezitten een hoge stabiliteit en zijn meestal goedkope materialen. Echter, het  verminderen van onze ecologische voetafdruk wordt belangrijker met de dag dus deze kunststoffen zullen waarschijnlijk vervangen moeten worden door een duurzamer alternatief zoals polymeren op basis van hernieuwbare grondstoffen. Verschillende biogebaseerde plastics of biopolymeren vinden reeds langzaam hun weg naar de markt van de commodity plastics. De biologische afbreekbaarheid van sommige van deze biopolymeren is een voordeel wanneer ze in het milieu terecht komen en het vergemakkelijkt ook een efficiënte recyclage. Polymelkzuur (PLA) is een thermoplastisch, biodegradeerbaar en biogebaseerd polymeer en kan gebruikt worden in klassieke polymeer toepassingen. Hoewel PLA een milieuvriendelijk biopolymeer is met uitstekende biocompatibiliteit, verwerkbaarheid en lage energieconsumptie bij de productie ervan, heeft het ook nadelen, die momenteel in bepaalde toepassingen het gebruik ervan beperken.

De belangrijkste beperking van PLA die in dit werk werd behandeld, is de lage kristallisatiesnelheid. Conventionele verwerkingsmethoden maken meestal gebruik van hoge koelsnelheden. Het verwerken van polymeren met een lage kristallisatiesnelheid zou leiden tot relatief amorfe materialen. De lage kristalliniteit in deze materialen zou op zijn beurt leiden tot een minderwaardig en inconsistent polymeerproduct. De traag kristalliserende natuur van PLA beperkt de snelle en/of massaproductie van PLA-gebaseerde producten. Het verhogen van de PLA-kristalliniteit kan dus zeer nuttig zijn, aangezien een hogere kristalliniteit en hogere kristallisatiesnelheden de verwerkingsmogelijkheden aanzienlijk kunnen verbeteren en de materiaaleigenschappen, zoals stijfheid, sterkte, verwekingstemperatuur en chemische weerstand ook ten goede zullen komen. Efficiënte manieren om de kristallisatiekinetiek van PLA te verhogen omvatten de verhoging van de nucleatiedichtheid door het toevoegen van een heterogeen nucleatiemiddel en de toename van ketenmobiliteit door toevoeging van weekmakers. Bij gebruik van een biologisch afbreekbaar nucleatiemiddel in combinatie met een biodegradeerbaar biopolymeer kan het resulterende product volledig biologisch afbreekbaar zijn.

In het onderstaande onderzoek werd de aandacht gericht op het vergroten van de nucleatiedichtheid door toevoeging van kristalliseerbare, biogebaseerde, biologisch afbreekbare moleculen zoals polypeptiden. Op basis van wederzijdse compatibiliteit, zoals bepaald door moleculaire simulaties, leek het nucleërende vermogen van polypeptiden veelbelovend, Polyalanine werd uiteindelijk geselecteerd om de nucleatie-efficiëntie in een PLA-matrix experimenteel te evalueren.

Allereerst werd polyalanine gesynthetiseerd en gekarakteriseerd. Er werd bevonden dat polyalanine een zeer hoge thermische stabiliteit bezit. Na synthese neemt polyalanine voornamelijk een α-helix conformatie aan die door opwarming, in afwezigheid van oplosmiddel, omzet in een β-plaatstructuur bij temperaturen hoger dan 210 °C. Een overgang van α-helicale kristallen naar β-plaatkristallen bij deze temperaturen werd niet eerder gerapporteerd. De resulterende β-plaatkristallen degraderen bij nog veel hogere temperaturen zonder voorafgaand te smelten. Om het nucleatievermogen van polyalanine in een PLA matrix snel te evalueren, werden polyalanine vezels geproduceerd en gekarakteriseerd. De vezels werden toegevoegd aan een PLA-matrix en uit microscopiemetingen was het duidelijk dat ze als nucleatiemiddelen fungeren.

Verder werd polyalanine ook fijner gedispergeerd in de PLA-matrix. via twee verschillende technieken: solvent mengen en smeltmengen. In het geval van de solvent gemengde monsters werd aangetoond dat polyalanine een efficiënt nucleatiemiddel is maar dat, voornamelijk bij hoge concentraties, ook de PLA-kristalgroei kan belemmerd worden. Voor de smeltgemengde monsters werd eveneens aangetoond dat polyalanine een efficiënt nucleatiemiddel is en dat, in tegenstelling tot de solvent gemengde monsters, een hogere concentratie polyalanine efficiënter is. De kristallisatiesnelheid van PLA werd significant verhoogd en de PLA kristalliniteit werd bijna verdubbeld. Het verhogen van de kristalliniteit en voornamelijk het verhogen van de kristallisatiesnelheid is een belangrijke stap in de toekomstige ontwikkeling van PLA-gebaseerde producten. In de industrie betekent een verhoogde kristallisatiesnelheid immers een belangrijke tijdswinst in productieprocessen die gebruik maken van hoge koelsnelheden.