SUPERVISOR
TAYEBEH BEHZAD,Roohollah Bagheri
طیبه بهزاد (استاد راهنما) روح اله باقری (استاد مشاور)
STUDENT
Mohsen Sadeghi Shapourabadi
محسن صادقی شاپورآبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Preparation and Characterization of PVA/Starch Nanocomposites Reinforced by Cellulose Nanofibers from Aspen Wood Sawdust
: Recently,usage of biodegradable polymers instead of common petroleum polymers has been grown. Starch is considered as the most capable biopolymer for the production of biodegradable plastics because of its immense potential and low priceto use in nonfood industries. However, starch has issues like weak mechanical properties and low moisture resistance. To improve these problems,starch can be blended with superiorpolymers or reinforced materials.Poly vinyl alcohol (PVA) is a polymer with appropriate mechanical and optical properties which can be a good candidate for blending with starch. The main purpose of this research is to produce and characterize PVA/starch nano-biocomposite reinforced with cellulose nanofibers (CNF) extracted from aspen wood sawdust as an inexpensive and unusable waste source. To extract cellulose nanofibers from sawdust a chemo-mechanical method was used.Chemical treatment causes to remove lignin, hemicelluloses, and pectin from cellulose structure and then mechanical treatment disintegratescellulose micro fibers to nanofibers. In chemical stage, first, sawdust extraction was exhausted with ethanol for 6 hours in a soxhlet extractor, and then bleached with 3% hydrogen peroxide solution to remove some of insoluble lignin. Afterward, acidic hydrolyze with hydrochloric acid, alkali treatment with dilute sodium hydroxide, and bleaching with sodium chlorite were carried out to eliminate hemicellulose, pectin, soluble lignin, and insoluble lignin. After the chemical stages, the final isolation of cellulose nanofibers was executed with a super grinder. Chemical characterization of fiber was performed with a modified TAPPI standard test on raw material and chemically treated fibers and concluded that cellulose content was increased from 49.9% to 79.1% that indicate appropriate elimination of non-cellulosic substances. In addition, FTIR characterization on untreated and chemically treated fibers showed that hemicellulose and lignin were removed and lateral Order Index which is an indication of crystallinity of fiber was increased from 0.893 to 1.201. SEM images also showed that the average diameter of isolated nanofibers is 74 nanometers. The next stage of this research is preparation of PVA/starch composites with extracted cellulose nanofiber as the reinforcement phase (3, 5, 7 10 wt%), glycerol as the plasticizer and borax as the crosslinking agent applying solution casting method. Mechanical properties of composites were investigated and showed 24% increase in tensile strength (5% cellulose nanofibers). In addition, Young’s modulus was increased from 12 to 27 MPa. SEM images of fracture surface of composites demonstrated suitable dispersion of nanofibers in matrix. Also, moisture absorption of composite reinforced by 5% CNF was reduced from 54.3% to 41%. Dissolution of nanocomposite include 5% CNF in water was also decreased by 62% compare to pure PVA/Starch sample. Finally, traarency test of samples with spectrophotometer indicated that increasing cellulose nanofiber content of composites causes to reduce traarency of films. Key words: Cellulose Nanofiber, Sawdust, Aspen Wood, Nanocomposite, PVA, Starch
استفاده از پلیمرهای زیستتخریبپذیر به جای پلیمرهای مصنوعی در تولید کامپوزیتها روز به روز در حال گسترش است. نشاسته بهعنوانمادهای ارزان یکی از پرکاربردترین زیست پلیمرها در تولید پلاستیکهای زیستتخریبپذیر میباشد ولی معایبی مانند استحکام کششی پایین و وابستگی شدید خواص به رطوبت دارد که برای بهبود این مشکلات نشاسته را توسط راهکارهای متفاوتی از جمله استفاده از پلیمرهای دیگر و یا پرکنندههاییبا خواص بهتر میتوان اصلاح کرد. پلیوینیلالکل (PVA) مادهای با خواص فیزیکی و ظاهری مناسب بوده و یکی از گزینههای مطلوب میباشد. در این مطالعه هدف تهیه و مشخصه یابی بیونانوکامپوزیت بر پایه نشاسته/پلیوینیلالکل، تقویت شده با نانوالیاف سلولزی استخراج شده از خاکاره می باشد. در این پژوهش در مرحله اول استخراج نانوالیاف سلولزی از خاکاره حاصل از چوب کبوده مورد نظر میباشد. خاکاره حاصل از چوب کبوده به دلیل منبع ارزان و بلااستفاده برای تولید نانو الیاف سلولز انتخاب و نانو الیاف سلولز به روشی شیمیایی- مکانیکی از این ماده استخراج شد. عمل آوری شیمیایی منجر به حذف مواد غیرسلولزی مانند همی سلولز، لیگنین و پکتین می شود و عمل آوری مکانیکی الیاف را از ابعاد میکرومتر به ابعاد نانومتر تبدیل می کند. ابتدا خاکاره به مدت 6 ساعت به منظور موم زدایی توسط اتانول سوکسوله شد. در ادامه با استفاده از سفیدگری توسط آب اکسیژنه 3% وزنی مقداری از لیگنین غیرقابل حل در آب اکسیژنه حل میگردد. سپس هیدرولیز اسیدی با اسید هیدروکلریک ، عملآوری قلیایی توسط محلول رقیق هیدروکسید سدیم و رنگ زدایی توسط کلرایت سدیم به ترتیب برای حذف همی سلولز و پکتین، لیگنین قابل حل و لیگنین غیرقابل حل انجام شد. سپس میکروالیاف به دست آمده پس از عمل آوری شیمیایی به آسیاب با دور بالا از هم جدا شده و به نانوالیاف تبدیل شدند. آنالیز ترکیب شیمیایی الیاف در مراحل مختلف به وسیله روش اصلاح شده استاندارد TAPPI انجام و مشخص شد که میزان سلولز از 9/49% به 1/79% افزایش یافته که نشان دهنده حذف مواد غیرسلولزی با عمل آوری شیمیایی است. توسط مشخصه یابی FTIR بر روی الیاف خام اولیه و الیاف عملآوری شیمیایی شده مشخص گردید که لیگنین و همی سلولز به مقدار مناسبی حذف گردیده و بواسطه افزایش شاخص نظم جانبی از 893/0به 201/1 مشخص گردید که درصد بلورینگی ساختار الیاف افزایش داشته است. تصویر SEM نانوالیاف نشان داد که نانوالیاف به دست آمده متوسط قطری برابر با 74 نانومتر دارند. سپس نانوکامپوزیت شامل ترکیب پلیوینیلالکل ونشاسته بهعنوان ماتریس، بوراکس بهعنوان عامل ایجاد اتصالات عرضی و مقادیر مختلف نانوالیاف سلولز (10-3 درصد ) بهعنوان پر کننده و توسط قالبگیری به روش تبخیر حلال آماده شد.در ادامهخواص مکانیکی نانوکامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشانگر افزایش 24 درصدی استحکام کششی در نمونه بهینه با 5% نانوالیاف و تعیین مدول یانگ از شیب نمودار تنش-کرنش افزایش مدول از 12 به 27 مگاپاسکال با افزایش مقدار نانو الیاف را نشان داد. تصاویر SEM از نمونه های کامپوزیت نشانگر پراکندگی مناسب نانو الیاف درون ماتریس پلیمری بودند. همچنین توانایی جذب آب در نانوکامپوزیت با افزودن 5% از نانو الیاف از3/54% به 41% کاهش پیدا کرد که نشانگر کاهش تاثیر رطوبت بر خواص مکانیکی در نانوکامپوزیت است. آزمون میزان انحلال در آب نمونه ها نیز نشان دهنده کاهش 62 درصدی حلالیت نمونه فیلم حاوی 5 درصد نانوالیاف بود. در نهایت آزمون عبور پذیری نور با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری اثبات کرد با افزایش درصد نانو الیافعبوردهی نور فیلمها کاهش مییابد. کلمات کلیدی نانو الیاف سلولز، خاکاره، کبوده، نانوکامپوزیت، پلیوینیلالکل، نشاسته