اثر نانوذرات روي اكسيد بر خواص مكانيكي، گرمايي و زيست‌تخريب‌پذيري فيلم‌هاي زيست‌كامپوزيتي بر پايه ژلاتين

Effect of Zinc Oxide Nanoparticles on Mechanical, Thermal and Biodegradability of Gelatin-Based Biocomposite Properties Films

فرضيه: محدوديت اصلي زيست‌پليمرها در مقايسه با پليمرهاي پايه نفتي، خواص مكانيكي و فيزيكي ضعيف آنهاست. در سال‌هاي اخير تلاش‌هايي انجام‌شده تا با جادادن مناسب نانوذرات در پليمر اين مشكل برطرف شود و با بهبود نسبي خواص فيزيكي و مكانيكي اين فيلم‌ها، محدوديت استفاده از آن‌ها در صنعت بسته‌بندي تا حد زيادي از بين برود. هدف پژوهش حاضر، جادادن نانوذرات روي اكسيد در فيلم‌هاي نانوكامپوزيتي بر پايه زيست‌پليمر ژلاتين به‌منظور بهبود خواص فيزيكي، مكانيكي و گرمايي آن‌ها بود. روش‌ها: فيلم‌هاي نانوكامپوزيتي بر پايه ژلاتين با افزودن مقادير مختلف نانوذرات روي اكسيد (0، 0.5، 1.5 و %3) با روش شناخته‌شده قالب‌گيري تهيه شدند. با انجام آزمون‌هاي مختلف خواص مختلف فيلم‌هاي نانوكامپوزيتي تهيه‌شده شامل ضخامت، چگالي، تراوايي بخار آب، خواص مكانيكي، درجه شفافيت، ويژگي‌هاي رنگي و در نهايت مقدار زيست‌تخريب‌پذيري بررسي شد. يافته‌ها: نتايج نشان داد، با افزايش غلظت نانوذرات روي اكسيد استحكام كششي زيست‌فيلم‌ افزايش و ازياد طول تا پارگي كاهش يافت. نتايج آزمون‌هاي فيزيكي نشان داد، با افزايش غلظت نانوذرات تراوايي به بخار آب از 0.76 به 0.48 كاهش يافت. جاددادن نانوذرات روي اكسيد بر شفافيت زيست‌فيلم مؤثر بوده و شفافيت با افزايش غلظت نانوذرات كاهش يافت. افزودن نانو‌ذرات به فيلم‌هاي برپايه ژلاتين موجب افزايش خواص گرمايي شامل دماهاي انتقال شيشه‌اي (Tg) و ذوب (Tm) شد. همچنين پايداري گرمايي زيست فيلم‌ها از 533.38 (در %0.5 نانوذرات) به 559.53 درجه سلسيوس (در %1.5 نانوذرات) افزايش يافت. افزون بر اين، نتايج بررسي زيست‌تخريب‌پذيري در خاك و نور نشان داد، با افزايش غلظت نانوذرات، زيست‌تخريب‌پذيري فيلم‌ها كاهش يافت. اين نتيجه به‌دليل افزودن نانوذرات است كه موجب استحكام پيوند قوي‌تر ميان اجزاي تركيب و تأخير در زيست‌تخريب‌پذيري مي‌شود.

Hypothesis: The basic limitation of biopolymers compared to the petroleum-based polymers is their weak physical and mechanical properties. In recent years, efforts have been made to properly incorporate nanoparticles into the polymer to reduce the limitation of their use in the packaging industry by partially improving the physical and mechanical properties of these films. This study aimed to incorporate zinc oxide nanoparticles into gelatin-biopolymer-based nanocomposite films, in order to improve their physical, mechanical and thermal properties. Methods: Gelatin-based nanocomposite films were prepared by adding different amounts of zinc oxide nanoparticles (0, 0.5, 1.5 and 3%) using the so-called casting method. By performing several tests, different properties of the manufactured nanocomposite films including thickness, density, water vapor permeability, mechanical properties, degree of transparency, color properties and finally, their biodegradability were investigated. Findings: the results showed that increasing the concentration of zinc oxide nanoparticles increased the tensile strength and decreased the elongation-at-break of this biofilm. The results of physical tests showed that increase in nanoparticles concentration reduced the permeability to water vapor from 0.76 to 0.48. Incorporating zinc oxide nanoparticles affected the transparency of the biofilms i.e. their transparency reduced by increasing nanoparticles concentration. By adding nanoparticles to gelatin-based films, thermal properties including glass transition temperature and melting temperature increased. Also, the thermal stability of the biofilms increased from 533.38°C (0.5% nanoparticles) to 559.53°C (1.5% nanoparticles). The results of biodegradability in soil and light showed that with increasing the concentration of nanoparticles, the biodegradability was reduced. This is mainly due to the addition of nanoparticles, which results in a greater bond strength between the components, and consequently the delay in biodegradation.