SUPERVISOR
Roohollah Bagheri,TAYEBEH BEHZAD,Mehran Ghiaci
روح اله باقری (استاد راهنما) طیبه بهزاد (استاد راهنما) مهران غیاثی (استاد مشاور)
STUDENT
Mobina Ahmadi
مبینا احمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Surface Modification of Extracted Cellulose Nanofibers from Wheat Straw to Reinforce Low Density Polyethylene- Thermoplastic Starch Composites
: Polyolefins have significantly obtained a main position in packaging industry because of their low cost, light weight, required properties, and low-energy consumption during their processing. To overcome this problem, production of degradable and biodegradable polyethylene is necessary. Starch is a widely used polymer in thermoplastic applications because of its biodegradability. Cellulose is the most available biopolymer on earth occurring in wood and other lignocellulosic sources which can be isolated as nanofibers to reinforce composites. The main challenges in using CNF are associated with the high polarity of cellulose which reduce the usage of nonpolar polymeric matrix. Consequently, CNF modification is essential in order to limit this phenomenum and open new applications by creating compatibility with poly ethylene matrice. In this study, Cellulose nanofibers were isolated from wheat straw by a chemical-mechanical procedure the morphology and size distribution of nanofibers were characterized using FE-SEM. The average diameter and aspect ratio of nanofibers were obtained to be 27 nm and about 45-65, respectively. The free radical polymerization of methyl methacrylate and butyl acrylate monomers was separately done at the presence of cellulose nanofibers by using cerium ammonium nitrate as initiator. It is necessary to mention that the optimum temperature, monomer concentration, initiator concentration and time for polymerization are respectively 35°C, 40 mmol / gr CNF, 2 mmol / dm 3 and 120 min. Also cellulose nanofiber was acetylated by acetic anhydride. Maximum grafting efficiency of 96.5 % was observed for poly (methyl methacrylate) based on the results of gravimetric and XPS analysises on the modified nanofibers. Successful grafting on the cellulose nanofibers surface was confirmed by TOF-SIMS analysis. TGA thermal analysis of nanofibers before and after modification showed that thermal degradation increased 40 °C and 20 °C respectively for modified nanofiber by polymer brush and acetylated nanofibers compared to the unmodified nanofibers. XRD analysis was performed after surface modification to determine the amount of crystallinity. Modified nanofibers with poly (butyl acrylate) and poly (methyl methacrylate) respectively showed 77 % and 54 % lower crystallinity compared to unmodified nanofiber. Most hydrophobicity after surface modification was observed for poly (methyl methacrylate) grafted nanofibers with contact angle of 100.15 ? . These mentioned properties are highly suitable for using cellulosic nanofibers and modified cellulose nanofibers in polymeric nanocomposites. In this research, the effect of bio nanofibers on physical and mechanical properties of polyethylene/starch/polyethylene grafted maleic anhydride blend was investigated. Nanocomposites reinforced with different amounts of CNF and modified CNF from 1 to 5% were prepared using a twin screw extruder. To evaluate the mechanical performance of nanocomposites, tensile properties were measured. It was observed that by increasing modified CNF content tensile strength, Young’s modulus and elongation at break were was increased compared to CNF nanocomposite. In addition, water absorption and degradability under soil was decreased with adding modified CNF in nanocomposites. Key words: Wheat straw, Cellulose nanofibers, Total crystallinity index, optimizing, nanocomposite, degradability.
: پلی اتیلن سبک که به سختی در محیط زیست تخریب می شود، یکی از ترموپلاست های تجاری است که سریع ترین رشد مصرف را دارد. مصرف مداوم پلی اتیلن در کاربردهای مختلف منجر به رشد آلودگی زیست محیطی گردیده است. برای غلبه بر این مشکل، تولید پلی اتیلن با زیست تخریب پذیری بالا امری ضروری است. به این منظور نشاسته که یکی از پرکاربردترین بیو پلیمرها در صنعت ترموپلاستیک است به پلی اتیلن اضافه می شود ولی هنوز خواص مکانیکی و تخریب پذیری در حد مطلوب نیست. بنابراین نانو الیاف سلولز به عنوان تقویت کننده برای بهبود خواص مکانیکی و تخریب پذیری به آلیاژ پلی اتیلن سبک – نشاسته گرمانرم افزوده می شود. به دلیل طبیعت آبدوست این نانو الیاف به طور معمول در اغلب پلیمرهای قطبی قابلیت اختلاط دارند . در نتیجه اصلاح سطح این نانو الیاف برای بهبود سازگاری با ماتریس های آب گریز امری ضروری به نظر می رسد . در این پژوهش نانو الیاف سلولز به طریق شیمیایی – مکانیکی از ساقه گندم استخراج شد. تصاویر FE-SEM از نانو الیاف سلولزی نشان داد که نانو الیاف به دست آمده متوسط قطر27 نانومتر و نسبت طول به قطر در محدوده ی 65-45 نانومتر دارند. سپس در حضورنانو الیاف سلولزی پلیمریزاسیون رادیکال آزاد مونومرهای متیل متاکریلات و بوتیل اکریلات به وسیله آغازگر سریم آمونیوم نیترات به صورت جداگانه انجام شد .لازم به ذکر است که شرایط بهینه برای انجام این پلیمریزاسیون از مقالات استخراج شده است که بهترین دما برای افزایش بیشترین پیوند دمای C °35 ، غلظت مونومر mmol/gr CNF 40 و غلظت آغازگر mmol/dm 3 2 و زمان min 120 می باشد. همچنین نانو الیاف سلولزی به وسیله استیک انیدرید و در حضور کاتالیزور پیریدین استیل دار شد. نتایج آزمون های وزن سنجی و XPS بر روی نانو الیاف اصلاح شده نشان داد که پلی (متیل متاکریلات) بیشترین پیوند زنی را بر روی سطح نانو الیاف سلولزی داشته است. بیشترین راندمان پیوند زنی 9/96 % از پلی (متیل متاکریلات) بر روی نانو الیاف سلولزی به دست آمد. نتایج آزمون TOF-SIMS بر روی سطح نانو الیاف سلولزی اصلاح شده، پیوند زنی موفق را تایید کرد. آنالیز حرارتی نانو الیاف قبل وبعد از اصلاح به وسیله TGA انجام شد که نشان داد پس از اصلاح نمونه ها به وسیله برس های پلیمری دمای تخریب حرارتی نزدیک C°40 ونمونه ی استیل دار شده C°20 نسبت به نمونه ی اصلاح نشده افزایش یافته است .آزمون پراش پرتو ایکس به منظور بررسی میزان بلورینگی پس از اصلاح سطح انجام شد. نتایج این آزمون نشان داد نمونه ی اصلاح شده با پلی (بوتیل اکریلات) و پلی (متیل متاکریلات) به ترتیب 77 و54 % کاهش بلورینگی نسبت به نمونه ی اصلاح نشده را نشان داد. بیشترین آب گریزی پس از اصلاح برای نانو الیاف اصلاح شده با برس پلیمری متیل متاکریلات می باشد به گونه ای که زاویه تماس این نمونه با آب ?15/100 اندازه گیری شد. در نهایت بیونانوکامپوزیت-هایی شامل پلی اتیلن سبک به عنوان ماتریس، نشاسته گرمانرم به عنوان فاز پراکنده، پلی اتیلن گرافت شده با مالیک انیدرید به عنوان سازگارکننده و مقادیر مختلف نانو الیاف سلولزی اصلاح شده (5-1%) به عنوان پرکننده به صورت جداگانه آماده شد. افزودن نانو الیاف اصلاح شده منجر به کاهش جذب آب و کاهش تخریب پذیری شد، به گونه ای که نمونه ی حاوی 5 درصد نانو الیاف اصلاح شده با پلی(متیل متاکریلات) تنها 18/1 % کاهش وزن در زیر خاک و 5/18 % کاهش جذب آب نسبت به نمونه ی حاوی 5 درصد نانو الیاف بدون اصلاح از خود نشان داد. بهبود خواص مکانیکی در اثر افزودن نانو الیاف اصلاح شده در آزمون کشش مشاهده گردید. افزودن 5 % نانو الیاف سلولزی اصلاح شده با پلی(متیل متاکریلات) منجر به افزایش 108 % در مدول یانگ، 22 % ازدیاد طول تا نقطه شکست و6/16 % در استحکام کششی نسبت به نمونه ی حاوی 5 % نانو الیاف سلولزی بدون اصلاح شده است. واژگان کلیدی : نانو الیاف سلولزی اصلاح شده ، بیو نانو کامپوزیت ، تخریب پذیری