نانوكامپوزيت‌هاي بر پايه نشاسته سيب‌زميني - مونت‌موريلونيت (MMT): حساسيت به آب، خواص مكانيكي و گرمايي و الگوي پراش پرتو X

Potato Starch/Montmorillonite-Based Nanocomposites: Water Sensitivity, Mechanical and Thermal Properties and XRD Profile Study

هدف از اين پژوهش، مطالعه اثر افزودن درصدهاي مختلف مونت­‌موريلونيت (3، 5، 7 و %9 وزن نشاسته)، بر خواص فيزيكي نانوكامپوزيت­‌هاي نشاسته سيب زميني-MMT است. مقاومت گرمايي و خواص مكانيكي فيلم­‌هاي نانوكامپوزيت به ترتيب به وسيله­ آزمون گرماسنجي پويشي تفاضلي و آزمون كشش و نحوه پراكنش نانوذرات در ماتريس پليمر با استفاده از آزمون پراش پرتو X بررسي شد. براي مطالعه اثر افزودن نانوذرات بر مقدار بازدارندگي فيلم­‌هاي حاصل در برابر رطوبت، مقدار جذب رطوبت و تراوايي نسبت به بخار آب (WVP) اندازه­‌گيري شد. نتايج نشان داد، نحوه پراكنش نانوذرات در ماتريس پليمر به شكل ورقه­‌اي است. مقدار WVP براي نمونه شاهد، g/m.h.Pa 7-10 × 6/2 است كه با افزايش غلظت نانوخاك­ رس تا %9، به­ طور معني­ داري كاهش مي‌يابد و به g/m.h.Pa7-10 × 43/1 مي ­رسد. همچنين، با افزودن نانوخاك­ رس از صفر تا %9، استحكام كششي نهايي نمونه­ هاي فيلم­ از MPa 9/5 تا MPa63/6 افزايش و كرنش تا پارگي از %82/34 به %83/26 كاهش يافت. اما، روند افزايشي استحكام كششي در فيلم­ هاي حاوي غظت­ هاي كم نانوخاك­ رس (%7-0)، معني ­دار نبود. مهم­ ترين دليل براي تقويت مقاومت مكانيكي در اثر افزودن نانوخاك­ رس، برقراري پيوندهاي بين­ سطحي قوي‌تر و بيشتر بين زنجيرهاي نشاسته و لايه‌هاي نانوخاك ­رس، پركردن فضاهاي خالي و افزايش نواحي بلوري است. بررسي مقاومت گرمايي نمونه­ هاي نانوكامپوزيت نشان داد، فيلم­ هاي نانوكامپوزيت نسبت به فيلم نشاسته خالص مقاومت گرمايي و دماي ذوب بيشتري دارند. با افزايش محتواي نانوخاك­رس از صفر تا %­9، دماي ذوب نمونه­ هاي نانوكامپوزيت از 218 درجه تا 232 افزايش مي ­يابد.. همچنين با افزايش محتواي نانوخاك رس، دماي انتقال شيشه­ اي افزايش مي­‌يابد. اين افزايش مربوط به كاهش حجم آزاد، كاهش تحرك قطعه‌­اي و در نتيجه تشكيل ساختار منسجم­‌تر به وسيله نانوخاك­ رس در نواحي بي­‌شكل است. .

Studies were carried out on the effect of adding different percentages of montmorillonite (3, 5, 7 and 9% of starch weight) on the physical properties of potato starch-MMT nanocomposites. Heat resistance and mechanical properties of films were measured by differential scanning calorimetry (DSC) and tensile test. Nanoparticles distribution in polymer matrix was investigated using X-ray diffraction test (XRD). For investigation of water vapor resistance of film samples, moisture sorption and water vapor permeability (WVP) were measured. The results showed that the distribution of nanoparticles in the polymer matrix was exfoliated. WVP in pure starch films was 2.62×10-7 g/mhPa and with the addition of 9% MMT it was reduced to 1.43×10-7 g/mhPa. With the addition of nanoclay from zero to 9%, the ultimate tensile strength of nanocomposite samples was increased from 5.9 to 6.63 MPa and strain-to-break was decreased from 34.82 to 26.83%. But the rising trend was not significant for nanocomposite samples containing low concentrations of nanoclay (0-7%). The main reasons for the enhancement of mechanical properties due to the addition of nanoclay were to establish hydrogen bonding between polymer chains and clay layers, filling the empty spaces and increase the crystalline domains. Investigation of thermal resistance of nanocomposite samples showed that they have higher thermal resistance and melting point in comparison with pure starch films. With the addition of nanoclay from zero to 9%, the melting point of film samples was increased from 218 to 232.1°C. With the addition of nanoclay, probably the mobility of amylopectin chains decreased and crystalline domains increased. Also, with increasing nanoclay content, the glass transition temperature of nanocomposite samples was increased. This result corresponded to shrinkage in free volume and thus reduction in the polymer chains mobility in amorphous regions.