تهیه و مشخصه یابی پلی یورتان پایه آبی و بررسی اثر افزودن نانوالیاف سلولزی استخراج شده از تفاله های هویج بر روی خواص کامپوزیت حاصل

STUDENT

DEGREE

YEAR

: In the past, solvent – born systems were mainly used because of their high content of volatile organic solvents (40-60 wt%). Due to environmental concerns and more attention to chemical industries pollutions, solvent – born polyurethanes have been replaced by Water – born polyurethanes (WPU). However, WPU Films show lower stiffness, mechanical strength, thermal stability, biodegradability compare to solvent – born polyurethanes. Therefore by adding Cellulose nanofibers(CNF) to WPU(s) poltmer matrix, these properties can be improved. In this study, CNF were isolated from carrot residualby a chemical–mechanical procedure and WPU synthesis was performed using pre–polymer method in NCO/OH ratio of 1.4. Then, nanocomposite based on WPU reinforced by CNF were prepared and the influence of CNF addition on nanocomposite properties was investigated. Using high performance liquid chromatography(HPLC) test, it was found that cellulose content was improved from 28.99 %for raw fiber to 78.60 % for bleached fibers. In addition, FTIR results and chemical composition analysis of fibers showed successful removal of non – celluloseic materials from fibers structures. Moreover, XRD analysis was performed before and after chemical treatment and the amount of crystallinity for bleached fibers was determined to be 79%. The average diameter of nanofibers were obtained by FE – SEM images and found to be, in the range of 20-30 nm. For nanocomposites, FTIR results indicated hydrogen bonds interaction between the CNF and WPU. The average particle diameter of the WPU and WPU/CNF dispersions were found to be 23.41 nm and 26.9 nm, respectively, which showes a good dispersion of CNF in the WPU. In addition, thermal properties of WPU and WPU/CNF films were investigated by TGA which indicated thermal degradation enhancement of WPU/CNF. To evaluate the mechanical performance of nanocomposites, tensile properties were measured. It was observed that by adding CNF, tensile strength and Young apos;s modulus were increased from 7.41 and 76.51, to 13.67 and 266.53, respectively and elongation at breek were decreased from 76.64 to 58.90. By measuring the contact angel and surface roughness of nanocomposites to be 50.88? and 83.7 nm, respectively, it was found that hydrophobicity characteristics of films was improved by adding CNF to WPU. Key word: Wate – born polyurethane, Cellulose nanofiber, Hydrophobility, surface roughness, Thermal degradation .

: در این پژوهش، پراکنه پلی یورتان پایه آبی به روش پیش پلیمر و با نسبت مولی ایزوسیانات به پلی ال 4/1 سنتز گردید. به منظور تقویت خواص مکانیکی و گرمایی پلی یورتان پایه آبی، نانوالیاف سلولزی به روش شیمیایی – مکانیکی از تفاله هویج استخراج گردید و به آن اضافه شد. نانوالیاف سلولزی با استفاده از هموژنایزر دور بالا در مقادیر 25/0، 5/0 و 75/0 درصد وزنی به پلی ال اضافه شد و سپس پلی یورتان پایه آبی سنتز گردید. نتایج حاصل از بررسی آزمون های تعیین عدد کاپا، ترکیب شیمیایی و FTIR بر روی الیاف سلولزی نشان می دهد که بعد از مرحله شیمیایی مواد غیرسلولزی از الیاف تقریباً به طور کامل خارج شده و میزان سلولزکه از 99/28 به 60/78 درصد افزایش یافته است. نتایج حاصل از آزمونFTIR و XRD درجه بلورینگی میکروالیاف را بعد از مرحله شیمیایی 79 درصد نشان می دهد که این بیانگر حذف مناطق آمورف از ساختار الیاف می باشد. تصاویر FE-SEM گرفته شده از نانوالیاف سلولزی، میانگین قطر الیاف را بین 20 تا 30 نانومتر نشان می دهد. به منظور بررسی تأثیر نانوالیاف بر روی پلی یورتان پایه آبی، آزمون های خواص مکانیکی ، طیف سنجی، اندازه گیری اندازه ذرات، پایداری پراکنه ها، خواص گرمایی، ریخت شناسی، سطح مقطع شکست، آب دوستی و زبری سطح مورد ارزیابی قرار گرفت. طبق آزمون خواص مکانیکی استحکام کششی و مدول یانگ در نمونه پلی یورتان حاوی 5/0 درصد وزنی نانوالیاف نسبت به پلی یورتان خالص به ترتیب % 84 و % 250 افزایش داشته و ازدیاد طول تا نقطه شکست کاهش 23 درصدی را نشان داده است. افزایش خواص مکانیکی مربوط به گروه های هیدروکسیل موجود برروی سطح نانوالیاف سلولزی است که با گروه های کربونیل یورتان پیوندهای هیدروژنی برقرار نمودند. نتایج حاصل از طیف سنجی، نشان می دهد با افزودن نانوالیاف سلولزی به پلی یورتان، مقدارAR که نشان دهنده نسبت مساحت سطح زیر پیک های مربوط به گروه های کربونیل درگیر با پیوندهای هیدرو‍ژنی به آزاد، می باشد که به دلیل ایجاد برهمکنش های هیدروژنی قوی بین نانوالیاف و گروه های کربونیل پلی یورتان از 58/0 در پلی یورتان خالص به 69/0 افزایش یافته است . با توجه به نتایج آزمون اندازه گیری اندازه ذرات، توزیع اندازه ذرات برای پلی یورتان خالص 41/23 نانومتر می باشد و میانگین اندازه ذرات در پراکنه پلی یورتان حاوی نانوالیاف سلولزی 9/26 نانومتر گزارش شده که این موضوع بیانگر پراکندگی خوب نانوالیاف سلولزی در پلی یورتان و عدم تجمع آن ها و پایداری پراکنه ها است. نتایج آزمون گرمایی نشان می دهد برای نمونه حاوی نانوالیاف سلولزی، دمای شروع واکنش، دمای تخریب نهایی و دمایی که در آن 50 درصد کاهش جرم مشاهده می شود نسبت به پلی یورتان خالص بیشتر بوده که نشان دهنده تخریب کمتر این نمونه نسبت به پلی یورتان خالص می باشد. بر هم کنش های بین بخش های سخت پلی یورتان و نانوالیاف دلیل پایداری بالاتر نمونه حاوی نانوالیاف سلولزی می باشد. نتایج حاصل از زاویه تماس استاتیکی نشان می دهد، زاویه تماس از مقدار° 49/80 برای یورتان خالص به مقدار °88/50 برای پلی یورتان حاوی نانوالیاف کاهش پیدا کرده است و این کاهش زاویه تماس نشان دهنده افزایش میزان آب دوستی سطح فیلم پلی یورتان خالص در حضور نانوالیاف سلولزی می باشد. نتایج میکروسکوپ نیروی اتمی نشان می دهد، کاهش زاویه تماس در فیلم پلی یورتان حاوی نانوالیاف سلولزی به دلیل افزایش زبری سطح فیلم تهیه شده می باشد. افزایش زبری سطح فیلم حاوی نانوالیاف، احتمالاً به دلیل پیوندهای هیدرو‍ژنی بین نانوالیاف و پلی یورتان می باشد که از مقدار 90/5 نانومتر در پلی یورتان خالص به مقدار 7/83 نانومتر افزایش یافته است. با توجه به تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، در پلی یورتان حاوی نانوالیاف، نانوالیاف سلولزی با گروه های کربونیل پلی یورتان پیوندهای هیدروژنی برقرار کردند و به خوبی در زمینه پلی یورتان پراکنده شده اند و می توان ناحیه شکست را به اتصالات هیدروژنی نسبت داد. کلمات کلیدی: پراکنه پلی یورتان پایه آبی، نانوالیاف سلولزی، درجه بلورینگی، آب گریزی