Μελέτη επίδρασης νανοκυτταρίνης στις ιδιότητες υδρόφιλων, βιοδιασπώμενων πολυμερών ως υποσχόμενων νέων συσκευασιών τροφίμων
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κουζούδης, Δημήτριος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Βογιατζής, Γεώργιος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Πασπαράκης, Γεώργιος | |
| dc.contributor.author | Κακαβά, Βασιλική | |
| dc.contributor.other | Kakava, Vasiliki | |
| dc.date.accessioned | 2025-11-18T07:52:05Z | |
| dc.date.available | 2025-11-18T07:52:05Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Η συνεχώς αυξανόμενη περιβαλλοντική επιβάρυνση από τη χρήση συμβατικών πλαστικών συσκευασίας έχει στρέψει το ερευνητικό ενδιαφέρον προς την ανάπτυξη υλικών πιο φιλικών προς το περιβάλλον, που συνδυάζουν βιωσιμότητα και λειτουργικότητα. Η πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA) αποτελεί ένα πολυμερές με καλή βιοσυμβατότητα και βιοαποικοδομησιμότητα, το οποίο έχει μελετηθεί εκτενώς για εφαρμογές συσκευασίας τροφίμων. Ωστόσο, η έντονα υδρόφιλη φύση του περιορίζει την αντοχή του σε υδατικά περιβάλλοντα, τις μηχανικές του ιδιότητες, καθώς και τις αντίστοιχες ιδιότητες φραγής, καθιστώντας αναγκαία τη βελτίωση των χαρακτηριστικών του μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων. Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη νανοσύνθετων μεμβρα-νών PVA ενισχυμένων με νανοκρυστάλλους κυτταρίνης (CNC) και λιγνοκυτταρίνη (LC), δύο βιοπολυμερή, φιλικά προς το περιβάλλον. Κύριος στόχος είναι η διερεύνηση της επίδρασης του είδους και της περιεκτικότητας των εγκλεισμάτων στη δομή και στις ιδιότητες των μεμβρανών. Για τη συνολική αξιολόγηση των νανοσύνθετων μεμβρανών αξιοποιήθηκε ένα ευρύ φάσμα πειραματικών τεχνικών. Η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) ανέδειξε τη μορφολογία και τον βαθμό διασποράς των εγκλεισμάτων στη μήτρα της PVA, ενώ η φασματοσκοπία ATR-FTIR επιβεβαίωσε τις μοριακές αλληλεπιδράσεις με τα εγκλείσματα και υπέδειξε πιθανές μεταβολές της κρυσταλλικότητας. Η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) αποτέλεσε την κύρια τεχνική για τον ποσοτικό προσδιορισμό του βαθμού κρυσταλλικότητας και την αποτίμηση αλλαγών στη διάταξη της πολυμερικής μήτρας, με τη Διαφορική Θερμι-δομετρία Σάρωσης (DSC) να προσφέρει συμπληρωματικές πληροφορίες για την κρυσταλλικότητα και την κινητικότητα των αλυσίδων μέσω της ανάλυσης των χαρακτηριστικών θερμοκρασιών (Tm, Tg) και της ενθαλπίας τήξης (ΔHm). Η λειτουργική συμπεριφορά των μεμβρανών διερευνήθηκε με μετρήσεις διόγκωσης σε υδατικά και υδατοαλκοολικά περιβάλλοντα και με καθορισμό του ρυθμού διαπερατό-τητας υδρατμών (WVTR) και αερίων (CO₂, O₂, N₂), οι οποίες ανέδειξαν την ενίσχυση των ιδιοτήτων φραγής. Τέλος, οι δοκιμές εφελκυσμού (YM, TS, EAB) παρείχαν μια ολοκληρωμένη εικόνα της μηχανικής συμπεριφοράς των μεμβρανών. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενσωμάτωση CNC και LC στη μήτρα της PVA επέφερε σημαντικές μεταβολές στις δομικές, θερμικές, φραγικές και μηχανικές ιδιότητες των μεμβρανών. Σε χαμηλά ποσοστά εγκλεισμάτων (1%), και τα δύο υλικά οδήγησαν σε αύξηση της κρυσταλλικότητας, και σταθεροποίηση της δομής μέσω δεσμών υδρογόνου με τη μήτρα PVA, ενώ οι μεμβράνες εμφάνισαν καλή ομοιογένεια. Ιδιαίτερα οι CNC ευνόησαν την ομοιόμορφη διασπορά, ενισχύοντας τη μεταφορά τάσης και προσδίδοντας έναν ισορροπημένο συνδυασμό αντοχής και ελαστικότητας. Αντίθετα, η LC, αν και αύξησε το μέτρο ελαστικότητας του υλικού, οδήγησε σε μείωση της ολκιμότητας, ιδιαίτερα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις. Όσον αφορά στις ιδιότητες φραγής, η ενσωμάτωση νανοκυτταρινών οδήγησε γενικά σε αύξηση του ρυθμού διαπερατότητας υδρατμών, μειώνοντας την ικανότητα φραγμού έναντι της υγρασίας. Παρόλα αυτά, σε χαμηλά ποσοστά φόρτωσης (1% κ.β.) καταγράφηκε μείωση της διαπερατότητας αερίων, ιδιαίτερα για το CO₂, ενώ για τα O₂ και N₂ οι τιμές παρέμειναν κάτω από το όριο ανίχνευσης, γεγονός που υποδεικνύει βελτίωση της ικανότητας φραγμού. Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η ενσωμάτωση CNC και LC στην PVA προσδίδει στις μεμβράνες δυνατότητα ελεγχόμενης τροποποίησης των χαρακτηριστικών τους, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Η επιλογή του κατάλληλου είδους και ποσοστού νανοενισχυτικού είναι καθοριστική για την επίτευξη ισορροπίας ανάμεσα στη μικροδομή, τη θερμική σταθερότητα, τις ιδιότητες φραγμού έναντι υδρατμών και αερίων, καθώς και του συνόλου των μηχανικών ιδιοτήτων. Η εργασία συμβάλλει στη βαθύτερη κατανόηση της σχέσης δομήςιδιοτήτων στα νανοσύνθετα PVA/CNC και PVA/LC, και αναδεικνύει τα υλικά αυτά ως υποσχόμενες λύσεις για την ανάπτυξη βιώσιμων και αποδοτικών υλικών συσκευασίας τροφίμων. | |
| dc.description.translatedabstract | The growing environmental impact of conventional plastic packaging has shifted research interest towards the development of environmentally friendly materials that combine sustainability with functionality. Polyvinyl alcohol (PVA) is a polymer with good biocompatibility and biodegradability and has been extensively investigated for food packaging applications. However, its pronounced hydrophilicity limits its resistance in aqueous environments as well as its mechanical strength and barrier performance, making the improvement of its properties through suitable modifications essential. In this context, the present thesis focuses on the study of PVA-based nanocomposite membranes reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) and lignocellulose (LC), two environmentally friendly bio-based materials. The main objective was to investigate the effect of the type and loading percentage of the nanofillers on the structure and properties of the membranes. A broad range of experimental techniques was employed for their comprehensive evaluation. Scanning Electron Microscopy (SEM) revealed the morphology and dispersion of the fillers within the PVA matrix, while ATR-FTIR spectroscopy confirmed molecular interactions with the fillers and indicated possible variations in crystallinity. X-ray Diffraction (XRD) served as the primary technique for the quantitative determination of crystallinity and the assessment of structural changes in the polymer matrix, with Differential Scanning Calo-rimetry (DSC) providing complementary insights into crystallinity and chain mobility through the analy-sis of transition temperatures (Tm, Tg) and the melting enthalpy (ΔHm). The functional behavior of the membranes was further assessed through swelling measurements in aqueous and hydroalcoholic me-dia and by determining the water vapor transmission rate (WVTR) and gas permeability (CO₂, O₂, N₂), which highlighted their barrier properties. Finally, tensile tests (YM, TS, EAB) provided a comprehensive evaluation of the mechanical performance of the nanocomposite membranes. The experimental results showed that the incorporation of CNC and LC into the PVA matrix induced significant changes in the structural, thermal, barrier, and mechanical properties of the membranes. At low filler loadings (1%), both nanomaterials contributed to an increase in crystallinity and stabilization of the structure through strong hydrogen bonding with the PVA matrix, while the membranes exhibited good homogeneity. CNC in particular promoted uniform dispersion, enhancing stress transfer and providing a balanced combination of strength and flexibility. In contrast, LC, although increasing the Young’s modulus of the material, led to a reduction in elongation at break, especially at higher concentrations. Regarding barrier performance, the incorporation of the nanofillers generally increased the water vapor transmission rate (WVTR), thus reducing the moisture barrier capacity. Nevertheless, at low concentrations (1%), a decrease in gas permeability was recorded, particularly for CO₂, while O₂ and N₂ values remained below the detection limit, indicating an improvement in gas barrier performance. Overall, the results demonstrate that the incorporation of CNC and LC into PVA enables controlled tailoring of membrane properties, according to the requirements of each specific application. The selection of the appropriate type and loading level of the nanofiller is crucial for achieving a balance between microstructure, thermal stability, barrier properties against water vapor and gases, and the overall set of mechanical characteristics. This work contributes to a deeper understanding of the structure-property relationship in PVA/CNC and PVA/LC nanocomposites and highlights these materials as promising candidates for the development of sustainable and efficient food packaging solutions. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/30977 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.subject | Πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA) | |
| dc.subject | Λιγνοκυτταρίνη (LC) | |
| dc.subject | Νανοκρυσταλλική κυτταρίνη | |
| dc.subject | Νανοσύνθετες μεμβράνες | |
| dc.subject | Βιώσιμα υλικά συσκευασίας | |
| dc.subject | Συσκευασία τροφίμων | |
| dc.subject.alternative | Poly(vinyl alcohol) (PVA) | |
| dc.subject.alternative | Lignocellulose (LC) | |
| dc.subject.alternative | Cellulose nanocrystals (CNC) | |
| dc.subject.alternative | Nanocomposite membranes | |
| dc.subject.alternative | Sustainable packaging | |
| dc.subject.alternative | Food packaging materials | |
| dc.title | Μελέτη επίδρασης νανοκυτταρίνης στις ιδιότητες υδρόφιλων, βιοδιασπώμενων πολυμερών ως υποσχόμενων νέων συσκευασιών τροφίμων | |
| dc.title.alternative | Study of the Effect of Nanocellulose on the Properties of Hydrophilic, Biodegradable Polymers as Promising New Food Packaging Materials |