SUPERVISOR
TAYEBEH BEHZAD
طیبه بهزاد (استاد راهنما)
STUDENT
Melikasadat Hejazi
ملیکاسادات حجازی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Preparation and Characterization of Bionanocomposite Film Based on Chitosan Reinforced by Extracted Chitin Nanofibers from Shrimp Shell
At recent years, because of environmental problems and not renewable form of oil resources, natural polymers are replaced artificial polymers in most applications. Among the large family of natural polymers, chitosan due to the affluence, biodegradablity and bio-compatibility was used in different fields such as food packing industry. Chitin is the most usual bio polymers that was used in nano composite synthesizing as reinforcing and filler agent. In the current work, the aim is to extracting and characterizing the chitin nano fibers from shrimp shell and investigating the effect of its addition to chitosan- based bio composites. During the extracting process, first of all, proteins and soluble carbohydrates were alkali washed in sodium hydroxide to be removed from shrimp shell. In the next stage, salts were removed using acid chloric and finally decolorizing and lipid removal were done using acetone and hypochlorite sodium. Result of shrimp shell analyses revealed that material with 88 % chitin, has a little lipid and lacks protein and carbonate calcium. Spectroscopy results of fibers at the different stages determined that removing the matrix materials were done successfully and FT-IR spectrum, confirms this result. Average diameter of nano fibers was calculated about 21 nanometer using Scanning Electron Microscopy. Crystallization of nano fibers were estimated at 84 % using X-ray diffraction results. In order to preparing nano composite, chitosan was dissolved in acetic acid and then was mixed thoroughly with 1, 3, 5, 7 and 10% of chitin nano fibers. To creating transverse joints of chitosan film, adipic acid were used to reveal a comparison between the synthesized films properties. SEM images of fracture surface of chitosan composite film with 5% of chitin nano fibers showed that fibers are distributed uniformly in matrix and there is a good interaction between matrix and nano fibers. Results of mechanical tests proved that ultimate strength and module of nano composite films increases about 43% with increasing in chitin nano fibers up to 5%. Strain in fracture point decreased about 52 percent for films with 0 to 10% nano fibers. Improvement of strain in fracture point was performed using glycerol. In the next step, in order to recovering the ultimate strength and module, adipic acid addition to chitosan films, made physical and chemical transverse joints. Ultimate strength results of chitosan films containing physical and chemical transverse joints in comparison with pure films containing emollient were increased about 224% and 283%, respectively. In this stage, treating with 5Wt-% of chitin nano fibers led to highest strength of 118 MPa. Water absorption test proved that water absorption rate in samples without emollient is significantly higher than other samples. With addition of emollient and firing films, water absorption rate decreases. Traarency test showed that adding nano fiber and glycerol emollient results in traarency decreasing for nano composite films. Key wor ds: Shrimp shell, Chitin nanofibers, Chitosan, Bionanocomposite film, Biodegradable polymer
در سال های اخیر به دلیل مشکلات زیست محیطی و تجدیدناپذیری منابع نفتی، در بسیاری از کاربردها پلیمرهای طبیعی جایگزین پلیمرهای مصنوعی شده اند. از بین خانواده عظیم پلیمرهای طبیعی کیتوزان به دلیل فراوانی، زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری در زمینه های مختلف ازجمله در صنایع بسته بندی مواد غذایی کاربرد دارد. کیتین یکی از متداول ترین پلیمرهای زیستی است که در تهیه نانوکامپوزیت ها به عنوان عامل تقویت کننده و پرکننده استفاده می شود. در این پژوهش هدف استخراج و مشخصه یابی نانوالیاف کیتین از پوسته میگو و بررسی اثر افزودن آن در بیوکامپوزیت های بر پایه کیتوزان می باشد. مطالعه اثر تقویت کنندگی نانوالیاف کیتین، نرم کننده گلیسرول و اثر اسید آدیپیک به عنوان عامل ایجاد اتصالات عرضی بر روی خواص نانوکامپوزیت از اهداف این پژوهش می باشد. در ابتدا کیتین از پوسته میگو استخراج شد. پس از جداسازی الیاف کیتین یک مرحله مکانیکی برای تولید نانوالیاف کیتین به کار گرفته شد. در طول فرآیند استخراج، ابتدا پروتئینها و کربوهیدراتهای محلول در باز، با شستشوی قلیایی هیدروکسید سدیم از پوسته میگو حذف شدند. در مرحله ی بعد، املاح زدایی با اسیدکلریدریک انجام شد و در نهایت رنگزدایی و حذف لیپید با استون و هیپوکلریت سدیم صورت گرفت. نتایج آنالیز پوسته میگو در انتهای این مراحل نشان داد که ماده حاصل حاوی 88% کیتین، مقدار جزئی لیپید و عاری از پروتئین و کلسیم کربنات میباشد. از نتایج طیفسنجی الیاف در مراحل مختلف استخراج مشخص گردید که حذف مواد ماتریسی با موفقیت صورت گرفته و طیف FT-IR بهدستآمده برای کیتین نیز این مورد را تایید نمود. میانگین قطر نانوالیاف با بررسی تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی تقریبا 21 نانومتر محاسبه شد. از نتایج پراش اشعه ایکس میزان بلورینگی نانوالیاف 84% به دست آمد. بهمنظور تهیه نانوکامپوزیت، کیتوزان در محلول اسید استیک حل شد و این محلول بهخوبی با درصدهای 1، 3، 5، 7، 10% نانوالیاف کیتین مخلوط شد. همچنین برای ایجاد اتصالات عرضی فیلم کیتوزان از اسید آدیپیک استفاده شد تا مقایسه ای بین خواص فیلم های تولید شده انجام گیرد. تصاویر SEM از سطح شکست فیلم کامپوزیت کیتوزان با 5 درصد وزنی نانوالیاف کیتین، نشان داد الیاف بهصورت یکنواخت در ماتریس پراکنده شده و برهمکنش مناسبی بین ماتریس و نانوالیاف وجود دارد. نتایج بهدستآمده از آزمون های مکانیکی اثبات کردند که استحکام کششی و مدول فیلم های نانوکامپوزیت با افزایش نانوالیاف کیتین تا 5% نانوالیاف 43 درصد افزایش یافت. میزان کرنش در نقطه شکست برای فیلم ها از 0 تا 10% نانوالیاف، 52 درصد کاهش پیدا کرد. برای بهبود میزان کرنش در نقطه ی شکست از نرم کننده گلیسرول استفاده شد در مرحله ی بعد به منظور جبران کاهش استحکام کششی و مدول در اثر افزودن نرم کننده گلیسرول، با افزودن اسید آدیپیک به فیلم های کیتوزان اتصالات عرضی فیزیکی و شیمیایی ایجاد شد. نتایج نشان داد استحکام کششی فیلم خالص کیتوزان دارای اتصالات عرضی فیزیکی و شیمیایی نسبت به فیلم خالص با نرم کننده به ترتیب 224% و 283% افزایش یافت همچنین در این مرحله با افزودن نانوالیاف کیتین در غلظت 5 درصد وزنی به بیشترین استحکام (118مگاپاسکال) رسید. آزمون جذب آب اثبات کرد نرخ جذب آب در نمونه های بدون نرم کننده بسیار بالاتر از نمونه های دیگر است. با افزایش نرم کننده و همچنین پخت فیلم ها سرعت جذب آب به مراتب کمتر می شود. نتایج آزمون شفافیت نشان داد افزودن نانوالیاف و نرم کننده گلیسرول سبب کاهش شفافیت فیلم های نانوکامپوزیت می شود. کلمات کلیدی: پوسته میگو، نانوالیاف کیتین، کیتوزان، فیلم بیونانوکامپوزیت، پلیمر زیستتخریبپذیر