ساخت و مشخصه یابی بیو نانو کامپوزیت تهیه شده از پلی لاکتیک اسید بازیافتی و نانو الیاف سلولزی باگاس

STUDENT

DEGREE

YEAR

Today, nano-sized reinforcement had a great attention in nanocomposite technology. NFC can be generated by using high mechanical fibrillation include of high pressure Homogenizer and super grinder. The obtained cellulose nanofiber had a longer length over diameter fibers with a web-like structure. As a result, the both obtained cellulose nanofiber is interest reinforcement in green nanocomposite technology. Nanofibrillal cellulose (NFC) and cellulose-nanocrystal-based composites can be prepared by various processing methods, e.g. melt processing, solvent casting, and in-situ polymerization. In this work nanofibrillal cellulose (NFC) was to isolate, characterize and optimize from depithed sugarcane bagasse by a sulphur free and bio-refinery based approach. Chemical pretreatments were applied to isolate individual micro-sized ?-cellulose fibers. First, Extractives and non-structural materials were extracted based on national renewable energy laboratory (NREL) standard. Afterward, hemicellulose and lignin were isolated by auto-hydrolysed in deionized hot water and alkalization pulped by soda-anthraquinone (AQ) respectively. Finally the pulps were bleached by elemental chlorine free (ECF) sequences to removing insoluble lignin and other impurities. To avoid overdosing of chlorine required content in bleaching stage, kappa number was be applied as a critical parameter. In order to reach high degree of NFC, ?-cellulose micro fibers was disintegrated in high mechanical fibrillation process using by PFI- mill refiner andultra-fine friction grinder. Morphological change and molecular structure of depithed bagasse during chemical pretreatments studied by scanning electron microscopic (SEM)and optical microscopic (OM). The microscopic image characterization showed that the applied chemical pre-treatments were effective to removing extractives, hemicellulose and lignin and isolated ?-cellulose fibers had a smooth surface. The particle size and morphology NFC were characterized by dynamic light scattering (DLS) and transition electron microscopy (TEM). According to DLS result the hydrodynamic diameter of NFC were ranged within 860 nm. Image analysis of TEM result shown the considerable percentage of isolated NFC had diameter less 100 nm and length about micro meter. The chemical composition was studied using NREL procedure and chemo-physical properties and functional groups followed by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). According to chemical composition and FTIR results, during the pulping process, hemicelluloses, and lignin were significantly removed and insoluble lignin was almost totally eliminated during the bleaching process. The obtained NFC will be used as reinforcement in nanocomposite production. On the other hand, processing of recycled polylactic acid (rPLA) nanocomposite was involved: a) preparation of NFC/ rPLA master batch, b) preparation of NFC/ rPLA compound c) preparation of NFC/ rPLA composite. The composites were prepared with different NFC contents, up to 5 wt %. Morphology, mechanical and dynamic mechanical properties (DMA) was studied to see how different NFC concentrations affected the composites properties. The tensile modulus and strength increased from 527.5 MPa to 716.5 MPa and from 23.9 MPa to 32.6 MPa, respectively, for nanocomposites with 3 wt.% NFC. The DMA results proved the tensile test results, storage modulus increased from 8214 MPa to 1024 MPa for nanocomposites with 3 wt.% NFC. The addition of nanofibers shifted the tan delta peak towards higher temperatures. The tan delta peak of the rPLA shifted from 66 ? C to 67.6 ? C for composites with 3 wt.% NFC. Biodegradation studies in compost soil at 58°C showed that for nano composites biodegradability were decreased and nanocomposites with 3 wt.% have better resistance biodegradability compared to other composites. The rPLA nanocomposites traarency were decreased by adding the NFC. Keywords : bio-nanocomposite, cellulose nanofibers,recycled poly lactic acid, bagasse fibers.

امروزه یکی از موضوعات مورد علاقه محققان جایگزین کردن ماتریس و تقویت کننده ها با ویژگی زیست تخریب پذیری با خواص مکانیکی بالاست. کاپرولاکتون، پلی لاکتاید و پلی (وینیل الکل)از جمله پلیمر های سنتزی زیست تخریب پذیری هستند که می توان به آن ها اشاره کرد. همچنین، پلیمر های طبیعی مانند نشاسته، کیتوزان و سلولز از جمله پلیمر های زیست تخریب پذیری هستنند که می توانند برای این منظور مورد مصرف واقع شوند. به منظور تقویت کردن این پلیمرها می توان از نانو الیاف سلولزی بهره گرفت.این نانوالیاف از منابع گیاهی با عمل آوری های شیمیایی و مکانیکی تهیه می شوند. هدف اصلی از این پژوهش، تهیه و مشخصه یابی بیو نانو کامپوزیت بر پایه پلی لاکتیک اسید بازیافتی تقویت شده با نانو الیاف سلولزی باگاس می باشد. ابتدا بمنظور استخراج نانوالیاف سلولز ازالیاف باگاس از یک روش شیمیایی مکانیکی شامل: عصاره گیری، هیدرولیز، خمیر سازی، سفیدگری، پالایندهو سوپرآسیاباستفاده شده است. به این منظور در مرحله عصاره گیری با استفاده از سوکسوله و در حضور آب و اتانول این مواد خارج شدند. در باگاس %1/10 عصاره گزارش شد. مرحله خود هیدرولیز به منظور خروج همی سلولز با استفاده از آب و در یک راکتور در دمای ?C170 با زمان ماند min10انجام پذیرفت. به منظور خروج لیگنین از سدیم هیدروکسید و آنتراکینون با استفاده ازهمان راکتور مرحله قبل جهت بهینه کردن این مرحله استفاده شد و جهت رسیدن به بیشترین مقدار میکرو الیاف با کیفیت بهتر توسط یک نرم افزار آماری مدل و بهینه گردید. دمای ?C 150، غلظت %5/17 و مدت زمان h1شرایط مرحله بهینه در خمیر سازی بود. در نهایت به منظور بدست آمدن سلولز خالص مرحله رنگبری با استفاده از سدیم کلریت و هیدورژن پروکسید و با تکنیک عنصر کلر محدود شده انجام پذیرفت. در این مرحله جهت اجتناب از مصرف زیاد عوامل رنگبر از عدد کاپا به عنوان یک فاکتور پر اهمیت استفاده شد.در مرحله‌ی خالص سازی شیمیایی تقریباً تمام مواد غیرسلولزی از ساختار الیاف حذف و یک خمیر سلولزی سفید از الیاف با ابعاد میکرو بدست آمد. در ادامه سوسپانسیونی از این میکروالیاف از پالاینده با 25000 دور چرخش و سوپر آسیاببا 2 بار عبور درrpm1500عبور داده شد تا با شکسته شدن پیوندهای بین مولکولی هیدروژنی مقیاس ابعاد الیاف به نانو کاهش یابد.ابعاد و مورفولوژی الیاف در مراحل مختلف عمل‌آوری توسط میکروسکوپ الکترونیعبوری و روبشی بررسی شد. همچنین نتایج بدست آمده از آنالیز ترکیب درصدهای شیمیایی نشان داد که درصد سلولز پس از عمل‌آوری قلیایی نسبت به مواد خام در حدود %91 افزایش یافته است. همچنین نتایج آنالیز طیف سنجی فوریه (FTIR)به طور کیفی ایننتایج را اثبات کرد. به منظور بررسی تغییرات مورفولوژی میکروالیاف در طول فرایند های شیمیایی از میکروسکوپنوری (OM) و میکروسکوپ عبوری روبشی (SEM) بهره گرفته شد. که نتایج آن حاکی از مؤثر بودن مراحل شیمیایی در استخراج نانو الیاف بود. همچنین نتیجه تصویر میکروسوپ الکترونی عبوری (TEM) حاکی از استخراج موفقیت آمیز نانو الیاف با قطر حدود nm20 بود. همچنین نتایج پراکنش نوری دینامیکی حاکی از آن بود که قطر متوسط خوشه های نانو الیافnm 860 بودند. سپس مشخصات پلی لاکتیک اسید بازیافتی به ترتیب با استفاده از کروماتوگرافی ژل تراوایی جهت تعیین اوزان مولکولی، پلارمتری جهت تعیین درصد ایزومری نوریL/D ، کالری متری تفاضلی روبشی جهت تعیین مشخصات دمایی پلی لاکتیک اسید بازیافتی، پیکنومتری جهت تعیین دانسیته،MFIجهت تعیین شاخص جریان مذاب و آنالیز طیف سنجی فوریه (FTIR)جهت بررسی گروه های عاملی تشکیل دهنده این پلیمر بهره گرفته شد.در مرحله‌ی بعد بمنظور تهیه‌ی نانوکامپوزیت، مستربتچی از پلی لاکتیک اسید بازیافتی و نانوالیاف سلولزی باگاس که بصورت یکنواخت پراکنده شده، به مذاب پلیمری اضافه شد. به منظور تهیه مستربتچ با استفاده از حلال استن پلی لاکتیک اسید بازیافتی حل شد و نانو الیاف با استفاده از سانتری فیوژ از محیط آّب به استن منتقل شد. در ادامه به روش قالب گیری مذاب فیلم‌های نانوکامپوزیت شکل‌دهیشد. سپس خواص مکانیکی، دینامیکی-مکانیکی و عبوردهی نور نانوکامپوزیت‌ها مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان می‌داد که مدول یانگ و استحکام کششی فیلم‌ها با افزایش نانوالیاف تا 3 درصد وزنی به ترتیب %8/35 و %4/36 افزایش داشته است. آزمون دینامیکی-مکانیکی ثابت کرد دمای انتقال شیشه‌ای فیلم‌های نانوکامپوزیت با %3 وزنی نانوالیاف سلولز در حدود ?C1 نسبت به فیلم پلیلا کتیک اسید بازیافتی افزایش داشته است. همچنین آزمون تخریب پذیری نشان داد که مقاومت در برابر تخریب پذیری فیلم‌ها با افزایش درصد نانوالیاف افزایش قابل توجهی خواهد داشت که بیشترین در %3 وزنی بود. در نهایت تست عبورپذیری نور با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری اثبات کرد با افزایش درصد نانوالیاف عبوردهی نور فیلم‌ها کاهش قابل توجهی نشان می‌دهد. کلمات کلیدی: 1-نانوالیاف سلولز 2-نانوکامپوزیت 3-پلی لاکتیک اسید بازیافتی 4-باگاس نیشکر