تهیه فیلم بیوکامپوزیت کربوکسی متیل سلولز حاوی نانو ذرات رس لامینیت شده با پلی وینیل الکل به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی آن

STUDENT

DEGREE

YEAR

In the last decades in cause of increasing environmental pollutions and in the wake of that compilation of new standards by related organizations, a number of efforts have been made to to extend of packaging on the basis of biodegradable biopolymers and improving their functions. Lack of decomposition by nature?s cycle and possible immigration of the monomers from package into the foods that succeeds danger of carcinogenesis in human and bad taste of food is among concerns come into attentions due to employment of synthetic polymers. Biodegradale packages have properties of plastic along with biodegradability. During the last 20 years application of multilayer films flourished in order to rally lots of monolayer film?s functional features and increasing the shelf time. Outer layers of these films contains mechanical properties, water vapor permeability while inner lyers are impermeable to gases. Carboxy methyl cellulose (CMC) is a linear derivation of cellulose which is soluble in water. CMC has the ability of making resistant, traarent, smooth and uniform films. However, poor mechanical, preventional and physical properties of biodegradable films are among the restrictions for their use in packaging industry. Poly vinyl alcohol (PVOH) is the plenteous soluble synthetic non-toxicality polymer with high tensile strength and desirable stickiness characteristics. Incorporation of nanoparticles for improvement of mechanical and water vapor permeability Has been recently taken into consideration. Nano clay is known as one of the best nano particles filler due to have sheet structure works as a hurdle for water vapor permeability. Nano clay causes more solidity of produced nano composite by keeping up bonds and strong interaction with biopolymer. Therefore the main aim of this research was to produce modified nano clay and then using it in one layer and two layer films. In this research Yazd's sepiolite stone was used for producing modified nano clay. After grinding of stone, the powder was washed and then modified using one molar solution of sodium chloride in order to perch of sodium cations. In next step for the cation exchange and hydrophobization of clay, cetylpridinium chloride was used. In the last step sepiolite nano clay was produced by nano ball mill. In order to recognizing of replacing cetylpridinium chloride with sodium from the modified soil FT-IR was done. The result of SEM images and analysis of DIGIMIZER software showed that use of nano ball mill for 4 hours has been enough for producing nano clay. Bio nano composite films (one layer and two layers) was then formed Effects of different amounts of nano clay (2,5,10,15%) on mechanical properties, water vapor permeability, surface color, traarency, thickness, solubility, swelling, moisture and contact angle in one and two layer CMC/PVOH films has been investigated. The results of these tests showed that addition of nano clay up to 10% in terms of dry matter causes improving mechanical and physical properties of produced films. But adding 15% nano clay had been agglomeration in polymer had no positive effect in improving mechanical properties. Two layer films which are made from one synthetic film and one natural film has the specialties between these two kinds of films. It's stronger than CMC and weaker than PVOH. Results of SEM images showed that nano particles were spreaded in matrix in a very good way. In total produced two layer films which had 10% nano clay, can be used as the proper film in packaging industry. Keywords : Biodegradable packaging, Biopolymer, Poly vinyl alcohol, Mechanical properties, C arboxymethyl cellulose, Nano clay

در ده های اخیر در اثر افزایش آلودگی های محیط زیست و به دنبال آن، تدوین استانداردهای جدید توسط سازمان های مسئول، تلاش های گسترده ای در جهت تولید بسته های بر پایه بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر و بهبود کارایی آن ها صورت گرفته است. عدم تجزیه توسط چرخه طبیعت و مهاجرت مونومرهای پلاستیک ها از این مواد به مواد غذایی از مشکلات این ترکیبات بوده که خطر سرطان زایی برای انسان و بد طعمی مواد غذایی را در پی دارد. بنظر می رسد بسته های زیست تخریب پذیر جایگزین مناسبی برای پلاستیک‌ها هستند که در کنار زیست تخریب‌پذیر بودن بطور نسبی دارای خواص پلاستیک های مرسوم نیز می باشند. در سال های اخیر استفاده از فیلم های چند لایه بمنظور بهبود بسیاری از ویژگی های عملکردی فیلم تک لایه و افزایش زمان ماندگاری برای مواد غذایی همچون گوشت و سبزی ها رونق داشته است. لایه های بیرونی این فیلم های چند لایه دارای ویژگی های خوب مکانیکی و ممانعتی نسبت به آب بوده جال آنکه لایه های درونی نسبت به گاز نفوذ ناپذیر هستند. سلولز فراوان ترین بیوپلیمر موجود در طبیعت است. بدلیل فراوانی و سهولت در تولید، تجدید پذیری منابع تولید، قیمت کم و زیست تخریب پذیری بالا توجه به استفاده از این بیوپلیمر در تولید مواد بسته بندی، بصورت روز افزون در حال افزایش است. در کنار آن کربوکسی متیل سلولز(CMC) از مشتقات سلولز بوده و بیوپلیمر خطی و محلول در آب است. CMC توانایی تشکیل فیلم های مقاوم و شفاف و پیوسته و یکنواخت را دارد. پلی وینیل الکل(PVOH)، فراوانترین پلیمر سنتزی محلول در آب است و غیر سمی بودن و استحکام کششی بالا و ویژگی های چسبندگی مطلوب این ترکیب را برای استفاده در تولید فیلم ها مناسب می کند. خصوصیات ضعیف مکانیکی و ممانعتی و فیزیکی فیلم های زیست تخریب پذیر از جمله محدودیت های آن ها در زمینه استفاده در صنعت بسته بندی بوده است. استفاده از نانوذرات برای بهیود خصوصیات مکانیکی و ممانعتی در برابر گازها معایب ذکر شده را بر طرف کرده و زمینه کاربرد بسته بندی های زیست تخریب پذیر را در صنعت گسترش بخشیده است. نانو ذره رس به عنوان یکی از بهترین پرکننده های نانومتری در صنعت بسته بندی مطرح می باشد. این نانوذره بدلیل داشتن ساختار صفحه ای به عنوان یک مانع در برابر نفوذ گازها عمل می کند. نانو رس از طریق برقراری پیوندها و برهمکنش های قوی با بسپار بیوپلیمری سبب استحکام بیشتر نانوکامپوزیت تولید شده می شود. بنابراین هدف ازین پژوهش، ابتدا تولید نانو رس اصلاح شده و بعد از آن استفاده در تهیه فیلم های تک لایه و دولایه است. در این پژوهش از سنگ سپیولایت یزد برای تولید نانو رس اصلاح شده استفاده شد. در مرحله اول پس از آسیاب کردن سنگ، رس بدست آمده را شست و شو داده ، سپس برای قرار گیری کاتیون های سدیم از محلول سدیم کلرید 1 مولار استفاده شد. در مرحله بعد به منظور تبادل کاتیون ها و آبگریز کردن رس از سورفکتانت ستیل پریدینیوم کلراید استفاده شد. بعد از اصلاح سپیولایت در مرحله آخر آن توسط آسیاب نانو به نانو رس سپیولایت تبدیل شد. به منظور تشخیص جایگزینی ستیل پریدینیوم کلراید با سدیم در رس اصلاح شده آزمون طیف سنجی مادون قرمز فوریه گرفته شد. نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی رویشی و آنالیز نرم افزار DIGIMIZER نشان داد که استفاده از آسیاب نانو به مدت 4 ساعت برای تولید نانو رس سپیولایت مناسب بود. فیلم های بیو نانو کامپوزیتی تک لایه و دولایه به روش قالب ریزی تهیه شد. اثرات مقادیر مختلف از نانو رس(2،5،10،15%) برخصوصیات مکانیکی، ممانعتی در برابر بخارآب، رنگ، شفافیت، ضخامت، حلالیت درآب، تورم، محتوای رطوبت و رطوبت پذیری در فیلم های تک لایه CMC و PVOH و فیلم دولایه CMC/PVOH بررسی شد. نتایج حاصل از آزمون های انجام شده نشان داد که افزودن نانو رس تا سطح 10% بر مبنای ماده خشک موجب بهبود خصوصیات مکانیکی و فیزیکی فیلم های تولیدی شده داشت، ولی افزودن 15% نانو رس بدلیل توده ای شدن و عدم پخش یکنواخت در شبکه پلیمری در بهبود ویژگی های مکانیکی تاثیر مثبت نداشت. مقایسه بین فیلم های تک لایه و دولایه نشان داد که فیلم دولایه از شفاف بیشتری برخوردار بود. فیلم دو لایه که از یک فیلم سنتزی و یک فیلم طبیعی ساخته شده دارای ویژگی هایی بین دو نوع فیلم می باشد که از فیلم طبیعی (CMC) قوی تر و از فیلم سنتزی (PVOH) ضعیف تر است. نتایج حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی رویشی نشان داد که نانو ذرات در ماتریکس بسپار به بخوبی پراکنده شده بودند.در مجموع فیلم دو لایه حاصل که حاوی 10% نانو رس بودند به عنوان فیلم مناسب در صنعت بسته بندی می تواند کاربرد داشته باشد. واژه های کلیدی : بسته بندی زیست تخریب پذیر، بیوپلیمر، پلی وینیل الکل، خصوصیات مکانیکی، کربوکسی متیل سلولز، نانو رس