فوم نانوبيوكامپوزيت نشاسته ترموپلاستيك/ نانوالياف سلولز: بررسي خصوصيات مكانيكي و گرمايي

Thermoplastic Starch/ Cellulose Nanofiber Nanobiocomposite Foam: Investigation on Thermal and Mechanical Properties

سابقه و هدف : در سال‌هاي اخير حجم توليد فوم‌هاي پلي استايرن بسيار زياد شده است.بيشتر اين فوم‌ها در صنايع غذايي و بسته‌بندي استفاده مي‌شوند. افزايش نگراني‌هاي زيست‌محيطي نياز به توسعه مواد زيست تخريب پذير را ايجاد كرده است. نشاسته زيست پليمري قابل دسترس، قابل تجديد، ارزان و زيست‌تخريب پذير و قابل ترموپلاست شدن است. اين عوامل دلايل علاقه‌مندي زياد به استفاده از نشاسته به عنوان جايگزين پليمرهاي سنتزي (مثل پلي استايرن) مي‌باشد. اما فوم نشاسته داراي خصوصيات گرمايي و مكانيكي ضعيفي است. يكي از راه‌هاي مهم بهبود خواص فوم نشاسته استفاده از نانوالياف سلولز به‌عنوان تقويت‌كننده در ساختار فوم است. چالش اصلي برسر راه فوم كردن نشاسته تقويت شده با نانوالياف سلولز، وجود آب فراوان در ژل NFC (nanofibrillated cellulose)است. اين ميزان آب سبب ايجاد حفرات درشت در هنگام تشكيل فوم مي‌شود كه خصوصيات فوم را به شدت تحت تاثير قرار مي‌دهد. در اين مطالعه نانوالياف سلولز در اكسترودر با نشاسته ترموپلاستيك( TPS ، Thermoplastic starch) مخلوط مي‌شود تا پخش مناسبي از NFC در ماده زمينه پليمري به‌دست آيد. سپس فوم TPS/NFC تشكيل‌شده و اثر NFC بر خواص گرمايي و مكانيكي فوم حاصل بررسي مي‌گردد. مواد وروش‌ها :. به‌منظور ساخت نانوبيوكامپوزيت نشاسته ترموپلاستيك/ نانو الياف سلولز گرانول نشاسته ذرت به صورت پودر، گليسرول و ژل NFC و آزودي كربناميد تهيه‌شد. گليسرول به ميزان 30 درصد وزني به عنوان ماده نرم‌كننده براي توليد TPS استفاده شد. نانو الياف سلولز به ميزان 0/5 ، 1 و 1/5 درصد وزني براي تقويت نشاسته استفاده شد. پودر آزودي كربناميد به عنوان عامل فوم‌زا به ميزان 0/2 درصد وزني مورد استفاده قرار گرفت. مواد مورد نياز براي هر تيمار در يك اكسترودر دو ماردونه همسو گرد مخلوط شدند وگرانول‌هايNFC TPS/ داراي ماده فوم‌زا تهيه شدند. در مرحله بعد گرانول‌هاي به دست آمده از اكسترودر به پرس گرم با دمايي بالاتر از دماي عملكرد ماده فوم‌زا منتقل شدند و فوم نانوبيوكامپوزيت TPS/NFC ساخته شد. به‌منظور بررسي ساختار مورفولوژيكي نمونه‌ها عكس‌هاي FE-SEM تهيه شد. آزمون‌هاي گرما وزن‌سنجي(TGA), كالري متري پويش تفاضلي(DSC) و آناليز ديناميكي – مكانيكي – گرمايي(DMTA) براي بررسي خصوصيات گرمايي و مكانيكي نمونه‌ها انجام شد. يافته ها : عكس‌هاي FE-SEM نشان داد فوم نانوبيوكامپوزيت TPS/NFC حفرات بيشتر و كوچك‌تري در مقايسه با فوم TPS دارد و اين موضوع به علت اثر هسته‌زايي NFC است. نتايج TGA نشان داد با افزايش NFC ثبات گرمايي نانوبيوكامپوزيت‌هاي فوم TPS/NFC بيشتر شد نتايج DSC نشان داد با افزايش NFC دماي انتقال شيشه‌اي نمونه‌ها افزايش يافت. نتايج DMTA نشان داد مدول ذخيره نمونه‌ها بعد از اضافه كردن NFC افزايش يافت. دليل اين امر ايجاد فوم ميكروسلولي و نيز تقويت ديواره سلولي فوم توسط نانوالياف سلولز مي‌باشد. همچنين نتايج نشان داد مدول اتلاف و فاكتور اتلاف با افزايش NFC افزايش يافت. نتيجه گيري: نتايج تحقيق نشان دادNFC خواص گرمايي و مكانيكي فوم TPS/NFC را بهبود داد. اضافه كردن NFC به TPS سبب مي‌شود در هنگام فوم شدن سلول‌هاي كوچك‌تر و همگن‌تري توليد شود.

Background and Aim: In recent years, has been increased production volume of polystyrene foams. These foams are applicable in food and packaging industries. Growing environmental concerns have created a need to develop biodegradable materials. Starch is a widely available, renewable, low cost, biodegradable and thermoplast (TPS). For this reason, starch generates a great interest at it is considered as promising alternative to synthetic polymers (as polystyrene). But poor mechanical property is a limited parameter to use this polymer. One of the important ways to reduce this limitation, is the improvement of the thermal and mechanical properties using of nanofiber cellulose as reinforcement of foam. But NFC gel is aqueous and it forms irreversible aggregates when dried. High moisture creates big cells in foaming and effect on foam properties. This subject limit using of NFC (nanofiber cellulose) to prepare polymeric composites. The aim of current research is using NFC (nanofibercellulose) to prepare NFC/TPS nanobiocomposite foam by extrusion mixing for better dispersion of NFC in matrix polymer and investigation on thermal and mechanical properties of foam. Materials and Methods: Granules powder of corn starch, glycerol, NFC gel, and azodicarbonamide have been used to make NFC-TPS nanobiocomposite foam. Glycerol (30 wt %) as plasticizer. NFC (0.5, 1, 1.5 wt %) as reinforcing agent and azodicarbonamide (0.2 wt %) as blowing agent (BA) were used. Raw materials were mixed in a co-rotating two screw extruder. Then TPS/NFC/ BA granule was prepared. Then by using of these granules, nanobiocomposites foams were prepared under hot press (temperature higher than degradation temp of BA). The morphology of the samples studied by FE-SEM. The tests thermogravimetry (TGA), differential scanning calorymetry (DSC), dynamic-mechanical- thermal analysis (DMTA) were done on TPS/NFC nanobiocomposite foams for determination of the thermal and mechanical properties. Findings: FE-SEM images showed, that TPS/ NFC nanobiocomposite foam has higher and smaller pores in comparison TPS foam. This is due to nucleation effect of NFC. TGA showed thermal stability of TPS/NFC nanobiocomposite foam with increasing of NFC. DSC showed transition glass temperature has been increased with increasing of NFC content. The DMTA showed storage modulus and loss modulus increased with increasing of NFC content but tan delta decreased. The reason of this result is formation microcellular foam and reinforcement of the cell wall of foam by NFC. Conclusion: The results of research showed NFC improved thermal and mechanical properties of TPS/NFC foam. TPS/NFC foam had more unique and smaller in comparison of TPS foam.