مقایسه نفوذ پذیری، زاویه تماس و ویژگی های گرمایی نانو چندسازه های بر پایه کربوکسی متیل سلولز دارای دو نوع نانو پرکننده: نانو رس و نانو ویسکر سلولز

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 تبریز، دانششگاه تبریز، دانشکده کشاورزی، گروه علوم و صنایع غذایی

2 تبریز، دانشگاه تبریز، دانشکده شیمی، گروه شیمی پلیمر

چکیده

کربوکسی متیل سلولز، پلی ساکاریدی است که توانایی تشکیل فیلم‌های شفاف و به نسبت مقاوم را داراست. نانو رس (مونت موریلونیت) و نانوویسکر سلولز دو نوع نانوپرکننده به ترتیب با اشکال هندسی ورقه ‌ای و میله ‌ای می‌باشند که اولی ماده ای تجدید ناپذیر و زیست تخریب ناپذیر و دومی تجدید پذیر و زیست تخریب پذیر است. در حال حاضر، نانو بلور سلولز به ‌صورت صنعتی تولید نمی شود و در این پژوهش این ماده از لینتر پنبه تولید شد و نتیجه ‌های آزمون میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپی عبوری (TEM) نشان داد که سوسپانسیون نانوویسکر سلولز تولید شده، دارای ذره‌ های میله ‌ای شکل با طول میانگین nm240 و قطر میانگین nm 13 است. در این پژوهش، فیلم‌های نانو چند سازه‌ای کربوکسی متیل سلولز(CMC) - پلی وینیل الکل (PVA) ، دارای مقدارهای 3 تا 10% نانوپرکننده، با استفاده از روش قالب ریزی تولید شده و خواص فیزیکی فیلم‌های تولید شده مورد مقایسه قرار گرفتند. نانو چندسازه‌های زیستی دارای 10% نانوویسکر سلولز، 21/28% کاهش در نفوذ پذیری نسبت به بخار آب (WVP) در فیلم شاهد (بدون نانو پرکننده) را نشان دادند. نمونه های دارای 7% نانو ویسکر سلولز کمترین آب ‌دوستی سطحی ( با زاویه‌ی تماس اولیه برابر با 3/59 درجه) نشان دادند. از سوی دیگر نانو چندسازه‌های دارای 10% مونت موریلونیت، 06/29% کاهش در نفوذ پذیری نسبت به بخار آب (WVP)  را نسبت به فیلم شاهد نشان دادند. کمترین ویژگی آب ‌دوستی سطحی در فیلم‌های دارای 10% مونت موریلونیت با زاویه‌ی تماس اولیه برابر با 1/65 درجه دیده شد. اختلاف معنی‌ دار در WVP و آب دوستی سطحی بین دو نوع فیلم نانو چندسازه فقط به ترتیب در مقدار 3 و 10% نانوذره در سطح احتمال (05/0P<) توسط آزمون دانکن دیده شد. نتیجه ‌های کالریمتری روبشی دیفرانسیلی(DSC)  نیز افزایش دمای انتقال شیشه ‌ای (Tg) هر دو نوع فیلم‌ نانو چندسازه را در مقایسه با فیلم بدون پرکننده نشان داد و در مقدارهای بیشتر نانوذره تغییر انتقال شیشه ‌ای قابل دیدن نبود و هر دو نوع نانوذره موجب کاهش دمای ذوب فیلم ها شدند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] قنبرزاده، بابک؛ الماسی، هادی؛ زاهدی؛ یونس، "بیو پلیمرهای زیست تخریب پذیر و خوراکی در بسته بندی مواد غذایی و دارویی"، انتشارات دانشگاه امیر کبیر،( 1388) .

[2] جعفری نژاد، شهریار؛ ابوالقاسمی، حسین؛ احمدی، سیدجواد؛ قربانیان، سهرابعلی؛ ویژگی های مکانیکی نانوکامپوزیت­های پلی پروپیلن خاک رس تهیه شده با روش مخلوط مذاب، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2) 30، ص. 61 (1390).

[3] Sorrentino A., Gorrasi G., Vittoria V., Potential Perspectives of Bionanocomposites for Food Packaging Applications, Trends Food Sci. Tech., 18, p. 84 (2007).

[4] Whan J.R., Perry K.W., Natural Biopolymer-based Nanocomposite Films for Packaging Applications, Crit.Rev.Food Sci., 47, p. 411 (2007).

[5] Dalmas F., Chazeau L., Gauthier C., Cavaille´ J.Y., Dendievel R., Large Deformation Mechanical Behavior of Flexible Nanofiber Filled Polymer, Nanocomposites, Polymer., 47, p. 2802 (2006).

[6] Okamoto M., Biodegradable Polymer/Layered Silicate Nanocomposites: A Review, in:
Ed. Mallapragada, S. and Narasimhan, "Handbook of Biodegradable Polymeric Materials and Their Applications", American Science Publishers, B., pp. 1-45 (2005).

[7] Park H.M., Li X., Un C.Z., Park C.Y., Cho W.J., Ha C.S., Preparation and Properties of Biodegradable Thermoplastic Starch/Clay Hybrids, Macromol. Mater. Eng., 287, p.553 (2002).

[8] Park H.M., Lee W.K., Park C.Y., Cho W.J., Ha C.S., Environmentally Friendly Polymer Hybrids. 1. Mechanical, Thermal, and Barrier Properties of Thermoplastic Starch/Clay Nanocomposites, J. Mater. Sci., 38, p. 909 (2003).

[9] Wilhelm H.M., Sierakowski M.R., Souza G.P., Wypych F., Starch Films Reinforced with Mineral Clay, Carbohyd. Polym., 52, p. 101 (2003).

[10] Huang M., Yu J., Structure and Properties of Thermoplastic corn Starch/Clay Nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 99, p. 170 (2006).

[11] Mc Glashan S.A., Halley P.J., Preparation and Characterization of Biodegradable Starch-based Nanocomposite Materials, Polym. Int., 52, p. 1767 (2003).

[12] Xu Y., Zhou J., Hanna M.A., Melt-Intercalation Starch Acetate Nanocomposite Forms as Affected by Type of Organoclay, Cereal Chem., 82, p. 105 (2005).

[13] Park H.M., Misra M., Drzal L.T., Mohanty A.K., Green Nanocomposites from Cellulose Acetate Bioplastic and Clay: Effect of Ceo-Friendly Triethyl Citrate Plasticizer, Biomacromolecules., 5, p.2281(2004).

[14] Park H.M., Liang X., Mohanty A.K., Misra M., Drzal L.T., Effect of Compatibilizer on Nanostructure of the Biodegradable Cellulose Acetate/Organoclay Nanocomposites, Macromolecules., 37, p. 9076 (2004). 

[15] Romero R.B., Leite C.A.P., Gonçalves M.D.C., The Effect of the Solvent on the Morphology of Cellulose Acetate/Montmorillonite Nanocomposites, Polymer., 50, p. 161 (2009).

[16] Cho M.S., Choi S.H., Nam J.D., Lee Y., Preparation and Mechanical Properties of Nanocomposite of Cellulose Diacetate/Mentmorillonite, Polymer (Korea)., 28, p.551 (2004).

[17] Lin K.F., Hsu Ch.Y., Huang T.Sh., Chiu W.Y., Lee Y.H., A Novel Method to Prepare Chitosan/Montmorillonite Nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 98, p. 2042 (2005).

[18] Xu Y., Ren X., Hanna M.A., Chitosan/Clay Nanocomposite Film Preparation and Characterization, J. Appl. Polym. Sci., 99, p. 1684 (2006).

[19] Lu Ch., Mai Y.W., Permeability Modeling of Polymer-Layered Silicate Nanocomposites, Compos. Sci. Technol., 67, p. 2895 (2007).

[20] Manias E., Origins of the Materials Properties Enhancements in Polymer/Clay Nanocomposites, Nanocomposites., 1, p. 1 (2001).

[21] Sinha-Ray,S., Pouliot S., Bousmina M., Utracki L.A., Role of Organically Modified Layered Silicate as an Active Interfacial Modifier in Immiscible Polystyrene/Polypropylene Blends, Polymer., 25, p. 8403 (2004).

[22] Gindl W., Keckes J., All-Cellulose Nanocomposite, Polymer., 46, p. 10221 (2005).

[23] Flieger M., Kantorova M., Prell A., Rezanka T., Votruba., Biodegradable Plastics from Rrenewable Sources, J., Folia microbiol., 48(1), p. 27 (2003).

[24] Oksman K., Mathew A.P., Bondeson D., Kvien I., Manufacturing Process of Cellulose Whiskers/Polylactic Acid Nanocomposites, Compos. Sci. Techno., 66, p. 2776 (2006).

[25] Svagan A.J., Azizi Samir M.A.S., Berglund L.A., Biomimetic Polysaccharide Nanocomposites of High CelluloseContent and High Toughness, Biomacromolecules., 8, p. 2556 (2007).

[26] Takahashi Y., "Cellulose Nanoparticles: A Route from Renewable Resources to Biodegradable Nanocomposites", PhD Thesis, College of Environmental Science and Forestry, State university of New York, (2007).

[27] Eichhorn S.J., Young R.J., The Young,s Modulus of a Microcrystalline Cellulose, Cellulose., 8, p.197 (2001).

[28] Bondeson D., "Biopolymer-Based Nanocomposites: Processing and Properties", PhD Thesis, Faculty of Engineering Science and Technology, Norwegian University of Science and Technology, (2007).

[29] Favier V., Chanzy H., Cavaillé J.Y., Polymer Nanocomposites Reinforced by Cellulose Whiskers, Macromolecules., 28(18), p. 6365 (1995).

[30] Siro´ I., Plackett D., Microfibrillated Cellulose and New Nanocomposite Materials: A Review, Cellulose., 17, p. 459 (2010).

[31] Bondeson D., Oksman K., Polylactic Acid/Cellulose Whisker Nanocomposites Modified by Polyvinyl Alchol, Compos. Part A- Appl S., 38(12), p. 2486 (2007).

[32] Habibi Y., Dufresne A., Highly Filled Bionanocomposites from Functionalized Polysaccharide Nanocrystals, Biomacromolecules., 9(7),p. 1974 (2008).

[33] Jiang L., Morelius E., Zhang J., Wolcott M., Holbery J., Study of the Poly (3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxyvalerate) / Cellulose Nanowhisker Composites Prepared by Solution Casting and Melt Processing, J. Compos. Mate., 42, p. 2629 (2008).

[34] Cao X., Chen Y., Chang P.R., Muir A.D., Falk G., Starch-Based Nanocomposites Reinforced with Flax Cellulose Nanocrystals, Express Polym. Lett., 2(7), p.502 (2008).

[35] Grunert M., Winter W.T., Nanocomposites of Cellulose Acetate Butyrate Reinforced with Cellulose nanocrystals, J. Polym. Environ., 10(1-2), p. 27 (2002).

[36] Samir A., Alloin F., Dufresne A., Review of Recent Research in to Cellulosic Whiskers, Their Properties and Their Application in Nanocomposite Field, Biomacromolecules., 6(2), p. 612 (2005).

[37] Saxena A., Ragauskas A.J., Water Transmission Barrier Properties of Biodegradable Films Based on Cellulosic Whiskers and Xylan, Carbohyd. Polym., 78, p.357 (2009).

[38] Choi Y., Simonsen J., Cellulose Nanocrystal-Filled Carboxymethyl Cellulose Nanocomposites, J. Nanosci. Nanotechno., 6(3), p. 633 (2006).

[39] Ahola S., Salmi J., Johansson L.S., Laine J., Österberg M., Model Films from Native Cellulose Nanofibrils; Preparation, Swelling, and Surface Interactions, Biomacromolecules., 9, p. 1273 (2008).

[40] Roohani M., Habibi Y., Belgacem N.M., Ebrahim Gh., Karimi A.N., Dufresne A., Cellulose Whiskers Reinforced Polyvinyl Alcohol Copolymers Nanocomposites, Eur. Polym. J., 44, p.2489 (2008).

[41] De Souza Lima M.M., Wong J.T., Paillet M., Borsali R., Pecora R., Translational and Rotational Dynamics of Rodlike Cellulose Whiskers, Langmuir., 19(1), p. 24 (2003).

[42] Dong X.M., Kimura T., Revol J.F., Gray D.G., Effect of Ionic Strength on the Isotropic-Chiral Nematic Phase Transition of Suspensions of Cellulose Crystallites, Langmuir., 12(8), p. 2076 (1996).

[43] Aziz Samir M.A.S., Alloin F., Sanchez J.Y., Dufresne A., Cellulose Nanocrystals Reinforced Poly (Oxyethylene), Polymer., 45(12), p. 4033 (2004).

[44] ASTM, "Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Material", E96-95, Annual Book of ASTM, Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials, (1995).

[45] Gontard N., Guilbert S., "Biopackaging; Food Packaging and Preservation", Blackie Academic and Professional, London, (1994).

[46] Gontard N., Guilbert S., Biopackaging: Technology and Properties of Edible and/or Biodegradable Material of Agricultural Origin, in: Ed. Mathlouthi M., "Food Packaging and Preservation", Blackie Academic and Professional, London, (1994b. 

[47] Angles M.N., Dufresne A., Plasticized Starch/Tunicin Whiskers Nanocomposites. 1. Structural Analysis, Macromolecules, 33, p. 8344 (2000).

[48] قنبرزاده، بابک؛ الماسی، هادی. مروری بر خواص کاربردی فیلم های زیست تخریب پذیر خوراکی حاصل از پروتئین گلوتن گندم، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)28، ص. 1 (1388).