تهیه و مشخصه‌یابی فوم سلول بسته بیو نانوکامپوزیتی بر پایه نشاسته/ پلی(‌وینیل‌الکل) تقویت شده با نانو الیاف سلولز استخراج شده از تفاله هویج

STUDENT

DEGREE

YEAR

: The worldwide environmental awareness associated with petroleum-based resources have triggered to focus on production of biodegradable materials derivated from renewable agricultural residues on agro-industrial byproducts. Starch is a feasible alternative material for making biodegradable foams. Starch is inexpensive, renewable, and biodegradable, however unfortunately it possesses some drawbacks such as hydrophilicity, brittle behavior in absence of plasticizer and dependence of mechanical properties on moisture. To improve some of pure starch lacks, starch was often blended with some fillers and biodegradable polymers which have good potency for packaging applications. Polyvinyl alcohol (PVA) has excellent physical properties and it is water-processable and one of the most compatible synthetic polymers with starch. Recently, the focus is on cellulose nanofibers (CNF) production and application in the various fields because of their potential in mechanical properties enhancement, low coefficient of thermal expansion, extremely large surface area, good interaction properties, low cost, and environmental benefits. In this study, CNFs were extracted from carrot residues and used as reinforcing material in foam production. Initially, a chemo -mechanical method was utilized to extract nanofibers from carrot residues. Chemical steps used to extract nanofibers include swelling, alkaline hydrolysis and bleaching of carrot fibers. In mechanical step, an ultrasonic was applied to convert obtained microfibers to nanofibers. High performance liquid chromatography (HPLC) test was used to analyze chemical composition of fibers. Results showed that cellulose content was changed from 28.99 percent for raw materials to 78.60 percent for bleached fibers, therefore removing of non-cellulosic contents from fibers structure was successful. In addition, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is another evidence of successful removal of functional groups related to non-cellulosic materials. Images taken from field Emission Scanning Electron Microscopy (FE -SEM), using image analysis software, showed that about 90.82 percentage of nanofibers have diameters less than 50 nanometers. In addition, X-ray diffraction (XRD) analysis was performed to determine the amount of crystallinity and showed that the total crystallinity index of bleached fibers is 79 percent. In second section of this study, first starch foams with different percentage of PVA (5, 10, 15, 20% wt) were prepared by baking method in a synthetic autoclave. Result of compression test, showed that compressive strength and flexibility of composite were improved by addition of 15% PVA to starch.The SEM micrographs of cross section of produced foams show that foams with PVA resulted in good homogeneous surface when compared to foam produced with pure starch, which shows surface cracks. The effect of PVA on homogeneity and expansion of foams could be explained due to their strong high compatibility between starch and PVA. Water uptake test indicated that addition of PVA improved the moisture resistance of starch foams. The CNFs extracted in first section of this project were used as reinforcement for starch/PVA foam in 0.5, 1, 3, 5%wt. It was found that adding CNFs can decrease expansion properties and lead to uniform and denser cell walls. Adding 1 wt.% nanofibers increase the composite modulus and thermal stability and decrease the water absorption. However addition of more than 1 wt.% CNF to the polymer blend causes aggregation of nanofibers and so reduces compressive modulus and thermal stability, and increases water absorption. Key Words : Starch, poly(vinyl alcohol), carrot cellulose nanofiber, nanocomposite foam, biodegradability

امروزه کامپوزیت های پلیمری نقش مهمی در زمینه های مختلف ایفا می کنند. به دلیل ملاحظات زیست محیطی توجه محققان به استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در تهیه کامپوزیت های پلیمری معطوف گردیده است. اگرچه نشاسته به دلیل ارزان، تجدیدپذیر و زیست‌تخریب پذیر بودن یکی از پر کاربرد ترین پلیمرهای طبیعی است؛ ولی از نظراستحکام، وابستگی خواص مکانیکی به رطوبت و پایداری حرارتی دارای نواقصی است که با استفاده از پلیمرها و پرکننده های مناسب اصلاح می گردد. پلی(وینیل الکل) (PVA) یکی از سازگارترین پلیمرهای سنتزی با نشاسته می باشد. نانوالیاف سلولزی به دلیل استحکام و مدول بالا به عنوان تقویت کننده کامپوزیت های پلیمری مورد توجه می باشند. هدف از این پژوهش، تهیه و مشخصه‌یابی فوم بیو نانوکامپوزیتی بر پایه نشاسته/ پلی(‌وینیل‌الکل) تقویت شده با نانوالیاف سلولز استخراج شده از تفاله هویج می باشد. در قسمت اول پژوهش از ترکیب روش شیمیایی و مکانیکی برای استخراج نانوالیاف سلولز استفاده شد. روش شیمیایی شامل پیش عمل آوری با محلول سدیم هیدروکسید 5/17 % وزنی (جهت متورم سازی الیاف و در دسترس قرار گرفتن بیشتر سلولز) و نیز عمل آوری های شیمیایی می باشد. در گام اول عمل آوری شیمیایی به منظور حذف پکتین، لیگنین قابل حل و همی سلولز، عمل آوری قلیایی توسط محلول سدیم هیدروکسید 2 % وزنی و در گام دوم، برای حذف لیگنین غیر قابل حل عملیات رنگ زدایی توسط محلول سدیم کلریت در محیطی اسیدی و با دو بار تکرار انجام شد. حاصل روش شیمیایی انجام شده الیافی در ابعاد میکرو می باشد که برای بهبود خواص توسط روش مکانیکی به مقیاس نانو تبدیل شدند. دراین پژوهش از دستگاه التراسونیک با توان 1200 وات جهت تبدیل الیاف به مقیاس نانو استفاده گردید. آنالیز ترکیب در صد شیمیایی نشان داد که میزان سلولز الیاف از 9915/28 % در نمونه اولیه به 603/78 % در نمونه نهایی افزایش داشت و درصد بازیابی سلولز نیز حدود 69 % محاسبه شد. تصاویر FE-SEM گرفته شده از نانوالیاف نشان داد که قطر حدود 82/90 % از نانوالیاف کمتر از 50 نانومتر می باشد و 71/36 % از نانوالیاف قطری بین 20 تا 30 نانومتر دارند. نتایج حاصل از تست FTIR نیز حذف اجزای غیر سلولزی را تایید کرد. شاخص بلورینگی کلی الیاف برای نمونه اولیه 14/0 و نمونه نهایی 16/0 محاسبه شد که این داده ها مصداق دیگری بر تایید حذف اجزای آمورف از ساختار الیاف می باشند. میزان بلورینگی الیاف نهایی نیز توسط تست XRD، 79 % به دست آمد. در قسمت دوم پژوهش از روش پخت در اتوکلاو برای تهیه فوم استفاده شده است. از 35 % وزنی گلیسرول برای تهیه نشاسته گرمانرم و از سدیم بی کربنات نیز به عنوان عامل فوم زا استفاده شده است. در ابتدا فوم نشاسته/PVA با 5 ترکیب درصد مختلف(0، 5، 10، 15 و 20 % وزنی) تهیه گردید به این صورت که PVA در دمای حدود 90 درجه سانتی گراد و تحت همزن مغناطیسی با دور بالا در آب حل شد و محلول PVA تحت همزن مکانیکی با دور 500 قرار گرفت و سایر اجزا از جمله گلیسرول، نشاسته، سدیم بی کربنات و سپس استیک اسید افزوده شده و پس از 15 دقیقه اختلاط درون اتوکلاو هم دما با آون قرار گرفتند. نتایج حاصل از تست فشاری روی کامپوزیت های تهیه شده نشان داد که فوم شامل 15 % وزنی PVA دارای بیشترین انعطاف پذیری و استحکام فشاری ( Mpa3/515) می باشد. تصاویر SEM از سطح شکست فوم ها نشان داد که افزودن PVA منجر به افزایش میزان تخلخل و تشکیل ساختار هموژن تر می شوند. نتایج حاصل از بررسی جذب رطوبت نشان داد که با افزودن PVA جذب رطوبت کاهش می یابد. تاثیر مستقیم PVA روی کاهش دانسیته نمونه ها نشان دهنده افزایش ضریب انبساط و سازگاری بالای نشاسته و PVA می باشد. در مرحله بعدی به فوم نشاسته شامل 15 % وزنی پلی(وینیل الکل) ، 5/0، 1، 3 و 5 % از نانو الیاف سلولزی تهیه شده در قسمت اول پژوهش اضافه گردید. در فرمولاسیون های شامل نانوالیاف به منظور پراکنش مناسب و جلوگیری از تجمع آن ها از هموژنایزر با دور بالا استفاده شد. در این نمونه ها ابتدا سوسپانسیون نانوالیاف در آب به مدت 45 دقیقه تحت هموژنایزر با قدرت 3000 دور بر دقیقه قرار گرفتند. نتایج نشان داد که با افزایش درصد نانوالیاف، دانسیته نمونه ها نیز افزایش داشت. تصاویر SEM بیانگر حضور نانوالیاف در کامپوزیت، تکمیل دیواره سلولی و کاهش قطر تخلخل ها می باشد. داده های به دست آمده از تست فشاری نشان داد که با افزودن 1 % از نانوالیاف به فوم مدول تا Mpa021/0 افزایش می یابد. میزان جذب رطوبت کامپوزیت ها اندازه گیری شد و نتایج نشان داد که با افزودن نانوالیاف تا 1 % وزنی کاهش داشت. نمونه های شامل 3 و 5 % نانوالیاف نتایج مناسبی در مورد مدول و میزان جذب رطوبت نشان ندادند که می تواند به دلیل عدم پراکنش مناسب و کلوخه شدن الیاف در کامپوزیت مورد نظر باشد.