مدل‌سازي نفوذپذيري بخار آب و جذب رطوبت در فيلم‌هاي نانوكامپوزيت نشاسته- مونت‌موريلونيت (MMT)

Modeling Water Vapor Sorption and Permeability in Starch-Montmorillonite Nanocomposite Films

در اين پژوهش، بررسي مقدار نفوذپذيري نسبت به بخار آب (WVP) و جذب رطوبت در فيلم­‌هاي نانوكامپوزيت نشاسته - مونت موريلونيت (MMT) بررسي شد. فيلم‌هاي نانوكامپوزيت به روش ريخته‌گري و با استفاده از گليسرول به عنوان نرم­‌كننده تهيه شدند. اثر غلظت گليسرول بر مقدار نفوذپذيري فيلم­‌ها نسبت به بخار آب، در دماي ?? درجه سلسيوس و رطوبت نسبي %??-? (داخل و خارج ويال) بررسي شد. نتايج نشان داد، WVP با افزايش محتواي گليسرول در نمونه‌­هاي نانوكامپوزيت، افزايش مي‌­يابد و رابطه نمايي ميان تغييرات غلظت نرم­‌كننده و نفوذپذيري نسبت به بخار آب در فيلم­‌هاي نانوكامپوزيت وجود دارد. همچنين، سينتيك جذب رطوبت نمونه‌­هاي نانوكامپوزيت، در دماي ?? درجه سلسيوس و رطوبت نسبي %?? بررسي شد. با افزايش غلظت نانوخاك‌رس از صفر تا %?، مقدار رطوبت تعادلي فيلم‌­ها از ?/?? تا %??/?? كاهش يافت. افزون بر اين، براي پيش­‌بيني رفتار فيلم­‌ها در جذب رطوبت، از قانون دوم فيك و چهار معادله تجربي، استفاده شد. نتايج مدل­‌سازي نشان داد، مراحل ابتدايي جذب رطوبت به­ خوبي به كمك قانون فيك توصيف مي­‌شود، اما با سست­ شدن تدريجي پليمر، رفتار آن از قانون فيك منحرف مي­‌شود. اين مسيله نشانگر اين است كه گراديان غلظت تنها سازوكار حاكم بر انتقال جرم نيست. همچنين، با افزايش غلظت نانوخاك‌­رس، ضريب انتشار موثر رطوبت افزايش يافت. اين مسيله نيز مي­‌تواند ناشي از نفوذ لايه­‌هاي رس در ماتريس پليمر در نواحي بي­‌شكل و ايجاد فضاهايي در ساختار پليمر باشد. وجود اين فضاهاي خالي در ساختار نانوكامپوزيت، باعث افزايش ضريب انتشار موثر رطوبت مي­‌شود. وجود نرم­‌كننده هم مي­‌تواند تحرك زنجير­هاي پليمر را تسهيل كند و ضريب انتشار موثر رطوبت را افزايش دهد.

The aim of this study was to investigate the rate of water vapor permeability (WVP) and moisture sorption of starch-montmorillonite (MMT) nanocomposite films. The nanocomposite films were prepared using the casting method and glycerol was used as a plasticizer. The effect of glycerol concentration on WVP of the films was determined at 25°C with a relative humidity of 0-99% (inside and outside of the vials). The results showed that WVP is increased with higher glycerol content in the nanocomposite samples and there is an exponential relationship between the plasticizer concentration and WVP of the nanocomposite films. Additionally, moisture sorption kinetics of nanocomposite samples was studied by placing the films in humid environments conditioned at 25°C and 75% relative humidity. In addition, the Fickʹs second law and four empirical equations were used to predict the films moisture sorption and the results of the modeling demonstrated that the initial stages of moisture sorption were fully supported by Fickʹs law. However, by the gradual relaxation of the polymer, its behavior deviated from the law. This result indicated that the concentration gradient was not the only dominant mechanism of mass transfer. The effective moisture diffusion coefficient (D) was increased with increasing MMT concentration. This was attributed to the penetration of clay layers into polymer matrix in the amorphous regions and creation of free spaces in polymer structure. The existence of free spaces in the nanocomposite structure increased the effective moisture diffusion coefficient. Additionally, plasticizer presence facilitated mobility of polymer chains and increased the effective moisture diffusion coefficient.