Ανάπτυξη οργανικών ινών από φυτικά υπολείμματα καφέ για την ενίσχυση θερμοπλαστικών πολυμερών PP και PE
Loading...
Date
2026-07-08
Authors
Καρακάσης, Νικόλαος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η εκτεταμένη παραγωγή και χρήση των συμβατικών πλαστικών, σε συνδυασμό με τα χαμηλά ποσοστά ανακύκλωσής τους σε παγκόσμιο επίπεδο, έχει οδηγήσει σε έντονες περιβαλλοντικές πιέσεις και στην ανάγκη άμεσης μετάβασης από το γραμμικό μοντέλο παραγωγής στις αρχές της κυκλικής οικονομίας και της βιοοικονομίας. Στο πλαίσιο αυτό, η ανάπτυξη πολυμερικών σύνθετων υλικών με ενσωμάτωση δευτερογενών πρώτων υλών φυτικής προέλευσης παρουσιάζει σημαντικό ερευνητικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον. Στην κατεύθυνση αυτή, τα υπολείμματα εκχύλισης καφέ, γνωστά ως Spent Coffee Grounds (SCGs), αποτελούν ένα οργανικό απόβλητο με αξιοποιήσιμη λιγνοκυτταρινούχα σύσταση, το οποίο μπορεί να διερευνηθεί ως οργανικό πληρωτικό για την ανάπτυξη πολυμερικών σύνθετων υλικών. Ωστόσο, η ενσωμάτωση των SCGs σε θερμοπλαστικές μήτρες ευρείας χρήσης, όπως το πολυπροπυλένιο (PP) και το πολυαιθυλένιο (PE), καθώς και η τελική απόδοση των παραγόμενων σύνθετων υλικών, επηρεάζονται από μια κρίσιμη τεχνική πρόκληση: τη χημική ασυμβατότητα στη διεπιφάνεια των δύο φάσεων. Η παρουσία πολικών υδροξυλομάδων στην επιφάνεια των SCGs ευνοεί την απορρόφηση υγρασίας και προσδίδει στο υλικό υδρόφιλο χαρακτήρα, με αποτέλεσμα να δυσχεραίνεται η ικανοποιητική διασπορά του πληρωτικού και η διεπιφανειακή πρόσφυση κατά την ενσωμάτωσή του στις μη πολικές και υδρόφοβες πολυολεφινικές μήτρες.
Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας συνιστά η ανάπτυξη, η παραμετρική μελέτη και η πιλοτική κλιμάκωση μιας διεργασίας χημικής επιφανειακής τροποποίησης των υπολειμμάτων καφέ, με στόχο την αύξηση της υδροφοβικότητάς τους και την προετοιμασία τους για τη μετέπειτα ενσωμάτωσή τους σε θερμοπλαστικά πολυμερή PP και PE. Ως πρώτες ύλες χρησιμοποιήθηκαν υπολείμματα καφέ espresso, τα οποία συλλέχθηκαν από τοπικές επιχειρήσεις, ξηράνθηκαν, αλέστηκαν και κοσκινίστηκαν ώστε να ληφθεί κλάσμα σωματιδίων μικρότερο από 50 μm. Ως μέθοδος τροποποίησης επιλέχθηκε η σιλανοποίηση, και εξετάστηκαν συγκριτικά δύο διαφορετικής λειτουργικότητας οργανικά αλκοξυσιλάνια: το 3-αμινοπροπυλοτριαιθοξυσιλάνιο (APTES) και το 3-γλυκιδυλοξυπροπυλοτριμεθοξυσιλάνιο (GPTMS). Στο πλαίσιο της παραμετρικής μελέτης εξετάστηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του σιλανίου, σε επίπεδα 0.5% και 1.5% κ.β. ως προς τη μάζα των SCGs, καθώς και της θερμοκρασίας επεξεργασίας, στους 25 °C, 40 °C και 60 °C. Η διεργασία πραγματοποιήθηκε σε διάλυμα αιθανόλης/νερού (90:10 v/v), με pH 4.5, σταθερό λόγο υγρού/στερεού 10:1, υπό μηχανική ανάδευση για 1 h.
Η αξιολόγηση της επιφανειακής τροποποίησης βασίστηκε σε δύο συμπληρωματικές μεθόδους χαρακτηρισμού της διαβροχής. Αρχικά, εφαρμόστηκε η μέθοδος της στατικής σταγόνας, με χρήση διαλύματος αιθανόλης/νερού (20:80 v/v) ως υγρού δοκιμής και ανάλυση των εικόνων μέσω του λογισμικού ImageJ, τόσο με ψηφιακή προσαρμογή σχήματος όσο και με γεωμετρικό υπολογισμό. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε δοκιμή κατακόρυφης τριχοειδούς ανύψωσης σε πακτωμένη κλίνη σωματιδίων, μέσω της οποίας παρακολουθήθηκε η διείσδυση του υγρού στο εσωτερικό της κλίνης. Ως βασικά κριτήρια αξιολόγησης χρησιμοποιήθηκαν η γωνία επαφής, το τελικό ύψος ανύψωσης και ο αρχικός ρυθμός ανύψωσης.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η σιλανοποίηση οδήγησε σε μείωση της διαβροχής των SCGs και ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του σιλανίου από 0.5% σε 1.5% κ.β. αποτέλεσε τον πιο σταθερά ευνοϊκό παράγοντα για την ενίσχυση της υδροφοβικότητας και στα δύο συστήματα. Για το GPTMS, η βέλτιστη συμπεριφορά καταγράφηκε στη συγκέντρωση 1.5% κ.β. και στους 60 °C, όπου η μέση γωνία επαφής έφτασε τις 127.9°, ενώ το τελικό ύψος τριχοειδούς ανύψωσης και ο αρχικός ρυθμός ανύψωσης μειώθηκαν σε 3.57 cm και 0.95 cm min-1, αντίστοιχα. Στην περίπτωση του APTES, η βέλτιστη συμπεριφορά παρατηρήθηκε στη συγκέντρωση 1.5% κ.β. και στους 40 °C, με γωνία επαφής 126.9°, τελικό ύψος 3.43 cm και αρχικό ρυθμό 1.00 cm min-1. Η σύγκριση των δύο σιλανίων έδειξε ότι το GPTMS παρουσίασε ελαφρώς υψηλότερη γωνία επαφής και χαμηλότερο αρχικό ρυθμό ανύψωσης, ενώ το APTES εμφάνισε χαμηλότερο τελικό ύψος τριχοειδούς ανύψωσης και πέτυχε υψηλή υδροφοβικότητα σε θερμοκρασία κατά 20 °C χαμηλότερη. Το στοιχείο αυτό αναδεικνύει πιθανό πλεονέκτημα του APTES ως προς την ενεργειακή απαίτηση της διεργασίας, χωρίς ωστόσο να επιτρέπει την οριστική επιλογή ενός από τα δύο σιλάνια πριν από την τελική αξιολόγηση των σύνθετων υλικών.
Στο τελικό στάδιο της εργασίας, οι επιλεγμένες συνθήκες σιλανοποίησης εφαρμόστηκαν σε πιλοτική κλίμακα, με παραγωγή 5 kg τροποποιημένων SCGs ανά παρτίδα. Η πιλοτική εφαρμογή πραγματοποιήθηκε τόσο για τα δείγματα 1.5% κ.β. όσο και για τα αντίστοιχα δείγματα 0.5% κ.β. στις βέλτιστες θερμοκρασίες για κάθε σιλάνιο, δηλαδή στους 40 °C για το APTES και στους 60 °C για το GPTMS. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι βασικές τάσεις της εργαστηριακής μελέτης διατηρήθηκαν κατά την κλιμάκωση, με τα δείγματα 1.5% κ.β. να εμφανίζουν συνολικά ευνοϊκότερη συμπεριφορά διαβροχής. Παράλληλα, το πιλοτικό μέρος ολοκληρώθηκε με την προετοιμασία και θερμική ξήρανση πρόσθετων εναλλακτικών οργανικών πληρωτικών, συγκεκριμένα 5 kg υπολειμμάτων κακάο και 3 kg πούδρας καφέ κοκκομετρίας 5 μm, με στόχο την επέκταση της ερευνητικής προσέγγισης και τη διερεύνηση της δυνατότητας μελλοντικής αξιοποίησής τους σε θερμοπλαστικές μήτρες. Παρά τις επιμέρους αποκλίσεις, η μετάβαση σε πιλοτική κλίμακα επιβεβαίωσε ότι η διεργασία μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγαλύτερη ποσότητα πρώτης ύλης, παράγοντας επαρκές υλικό για την ενσωμάτωση σε θερμοπλαστικές μήτρες στο επόμενο στάδιο.
Συνολικά, η παρούσα εργασία ανέδειξε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση αξιοποίησης υπολειμμάτων καφέ, η οποία περιλαμβάνει τη συλλογή και προεπεξεργασία του αποβλήτου, τη χημική επιφανειακή τροποποίηση, τον συγκριτικό χαρακτηρισμό της διαβροχής, την επιλογή κατάλληλων συνθηκών και την εφαρμογή της διεργασίας σε πιλοτική κλίμακα. Η σιλανοποίηση αποδείχθηκε αποτελεσματική μέθοδος αύξησης της υδροφοβικότητας των SCGs, δημιουργώντας μια τεκμηριωμένη βάση για τη χρήση τους ως οργανικών πληρωτικών ή ενισχυτικών υλικών σε σύνθετα θερμοπλαστικά συστήματα.
Description
Keywords
Κυκλική οικονομία, Υπολείμματα καφέ, Σιλανοποίηση, Υδροφοβικότητα, Σύνθετα πολυμερή