ﺳﺎﺧﺖ و ارزﯾﺎﺑﯽ ﺧﻮاص ﻓﯿﻠﻢ ﻧﺎﻧﻮ ﭼﻨﺪﺳﺎزه ﭘﻠﯽ اﺗﯿﻠﻦ ﺳﺒﮏ ﺣﺎوي ﻧﺎﻧﻮ اﻟﯿﺎف ﺳﻠﻮﻟﺰي

Fabrication and evaluation of the propertiesof nanocomposite film produced from LDPE containing cellulose nanofiber

سابقه و هدف امروزه نانوذرات و نانو الياف سلولزي (CNF) جايگاه گسترده اي در صنايع غذايي بويژه صنعت بسته بندي پيدا كرده اند. حضور اين مواد در ساختار ماده بسته بندي مي تواند نقش مفيدي در بهبود ويژگي هاي مكانيكي، بازدارندگي و حرارتي ماده بسته بندي ايفاء كند. نانو الياف سلولزي به دليل دسترس پذيري بالا، قيمت مناسب، تجديدپذيري، سطح ويژه زياد و ويژگي هاي مكانيكي مناسب به عنوان تقويت كننده در نانو چندسازه ها، مورد توجه زيادي قرار گرفته است. هدف از اين مطالعه، ارزيابي برخي خواص مكانيكي، فيزيكي همچنين ريخت شناسي نانو چندسازه ها تشكيل شده از نانو الياف سلولزي (CNF) و پلي اتيلن سبكLDPE)) مي باشد. در تحقيق حاضر، از انيدريد مالييك استيرن (SMA) به عنوان جفت كننده جهت ازدياد برهم كنش بين اجزاء استفاده شد. مواد و روش ها نمونه هاي نانو چندسازه ها با مقادير مختلف نانو الياف سلولزي (0، 3، 5 و 10 درصد وزني)، با روش خشك كردن انجمادي ژل نانو الياف سلولزي و اختلاط مذاب نانو الياف سلولزي خشك شده با LDPE با استفاده از مخلوط كن داخلي و سپس با روش قالب گيري فشاري تهيه شدند. نمونه ها از طريق آزمون هاي جذب آب، طيف سنجي مادون قرمز (FTIR)، آزمون مكانيكي (شامل مدول الاستيسيته، كرنش تا نقطه شكست و استحكام كششي) و ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) مورد سنجش قرار گرفتند. همچنين براي تشخيص نحوه پراكنش نانو الياف سلولزي در ماتريس پليمري از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) استفاده گرديد. يافته ها ريزنگاره هاي AFM، اندازه نانو الياف سلولزي در مقياس نانو را تاييد نمود و ميانگين قطر نانو الياف سلولزي 10±35 نانومتر به دست آمد. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي تهيه شده از سطح شكست فيلم ها، تاييد كننده پراكندگي مطلوب و يكنواخت نانو الياف سلولزي بود. نتايج آزمون هاي مكانيكي حاكي از آن است كه وجود نانو الياف سلولزي در ماتريس پليمري موجب افزايش استحكام كششي و مدول الاستيسيته نانو چندسازه ها نسبت به LDPEخالص مي شود. در اين رابطه نانو چندسازه تهيه شده از 10درصد وزني نانو الياف سلولزي، داراي بيشترين استحكام كششي و مدول الاستيسيته بودند. همچنين نتايج نشان داد، مقدار كرنش تا نقطه شكست نانوچندسازه ها با افزودن نانو الياف سلولزي به درون ماتريس پليمري كاهش يافت. بررسي تاثير نانو الياف سلولزي بر ميزان جذب رطوبت در فيلم هاي مورد بررسي نشان داد، با افزايش مقدار نانو الياف سلولزي از صفر تا 10 درصد جذب آب از 0/46 به 0/90 درصد افزايش يافت. نتيجه گيري همه نتايج به دست آمده در اين پژوهش اثر مناسب نانو الياف سلولزي بر برهم كنش قوي با پلي اتيلن را نشان داد كه موجب افزايش خواص مكانيكي نانو چندسازه ها شد. البته مدول الاستيسيته فيلم هاي نانو چندسازه ها، افزايش چشمگيري داشت. همچنين درصد وزني نانو الياف سلولزي موثرترين پارامتر روي استحكام كششي و مدول الاستيسيته نمونه هاي نانو چندسازه ها مي باشد. با افزودن نانو الياف سلولزي درصد جذب آب نانو چندسازه ها افزايش يافت.

Background and objectives: Nowadays the nanoscale fillers and cellulose nanofiber (CNF) have been extensively developed in food industry, particularly food packaging systems. The incorporation of nanoscale fillers in the packaging material can play a useful role in improving the mechanical, barrier and thermal properties of the packaging material. Cellulose nanofiber have received much attention as reinforcement in polymer nanocomposites due to their renewability, low cost, biodegradability, high aspect ratio and having good mechanical properties. The main aim of this study was to fabricate and to evaluate the properties of nanocomposite films made from (CNF) and low-density poly (ethylene) (LDPE). Here, styrene maleic anhydride (SMA) was added as a coupling agent. Materials and methods: The nanocomposites with different cellulose nanofibers (0, 3, 5, 10 wt %) were prepared by freeze drying of CNF gel and melt compounding of dried CNF with LDPE in an internal mixer and then the composites were manufactured by compression molding method. Water absorption, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and mechanical test (modulus of elasticity, strain-to-break and tensile strength) and atomic force microscopy (AFM) of the prepared nanocomposites were evaluated. Also the dispersion of nanoparticles in polymeric matrix was evaluated by scanning electron microscopy (SEM). Results: AFM micrograph confirmed the nanoscale size of CNF, averagely obtained 35±10 nm. The morphology of fracture surface evaluated by scanning electron microscopy confirmed the uniform dispersion of CNF. The results of mechanical tests indicated that the presence of CNF in the polymer matrix increased the tensile strength and modulus of elasticity of nanocomposite compared to those of pure LDPE. The nanocomposite with 10 w % CNF had the highest tensile strength and modulus of elasticity. The results indicated that the strain-to-break of LDPE decreased with the introduction of CNF into-polymer matrix. The effect of CNF in the water absorption of the film was investigated. The water absorption was increased from 0.46% to 0.90% as the CNF percentage increased from 0 to 10 wt %. Conclusion: The results achieved from these investigations were indicating appropriate effects of nanofibers cellulose for the strong interaction with LDPE polymer which caused high mechanical properties (at 10 wt% of cellulose nanofibers) in nanocomposites. The modulus of elasticity of nanocomposite films was significantly increased. Weight percentage of CNF is the most effective parameter on specific tensile strength and modulus of elasticity properties of nanocomposite samples. The presence of CNF in the nanocomposites increased the water absorption.