اثر نانوكريستال سلولز و پلي وينيل الكل روي ويژگي هاي فيزيكي فيلم‌هاي بيونانوكامپوزيتي بر پايه نشاسته

Effect of cellulose nanocrystal and polyvinyl alcohol on the physical properties of starch based bionanocomposite films

سابقه و هدف: فيلم‌هاي بر پايه بيوپليمر نشاسته معايبي مثل خواص مكانيكي و بازدارندگي در برابر بخار آبِ ضعيف دارند كه كاربردهاي آن‌ها را در بسته‌بندي محدود مي سازد. براي بهبود ويژگي هاي فيلم‌هاي بر پايه نشاسته، روش هاي مختلفي مانند مخلوط كردن با پليمرهاي ديگر و استفاده از نانوپركننده ها پيشنهاد شده‌اند. نانوكريستال سلولز (NCC) به دليل زيست تخريب‌پذيري، غير سمي بودن، فراواني در طبيعت، قيمت ارزان و تجديد پذيري، گزينه مناسبي براي تقويت پليمر نشاسته به شمار مي رود. هدف از انجام اين پژوهش، بررسي اثر نانوكريستال سلولز و پلي وينيل الكل(PVA) روي ويژگي هاي فيلم‌هاي نشاسته در جهت بهبود خواص مكانيكي و بازدارندگي آن‌ها بود. مواد و روشها: در اين پژوهش NCC از لينتر پنبه توليد و به مخلوط تشكيل دهنده فيلم نشاسته- پلي وينيل الكل افزوده شد. به منظور بررسي ويژگي هاي فيلم هاي حاصل، از آزمون‌هاي مختلف مانند خواص مكانيكي، نفوذ پذيري بخار آب، آزمون حرارتي، پراش پرتو ايكس (XRD) و ميكروسكپ الكتروني عبوري (TEM) استفاده شد. يافتهها: افزودن PVA و NCC به محلول فيلم‌ساز نشاسته باعث افزايش حداكثر مقاومت به كشش UTS و كاهش نفوذ پذيري به بخار آب WVP فيلم هاي بيونانوكامپوزيت حاصل شد. نتايج آزمون XRD نشان داد كه دو جز ماتريكس و پركننده به خوبي در هم پخش شده اند و بهترين ساختار در غلظت 10 درصد NCC مشاهده شد. نتيجه گيري: PVA به علت داشتن گروه‌هاي OH مي‌تواند با گروه‌هايOH نشاسته پيوند هيدروژني برقرار كند. اين كار موجب افزايش استحكام شبكه پليمري و بهبود ويژگي هاي مكانيكي و بازدارندگي فيلم هاي بيوكامپوزيت مي‌شود. NCC به دليل دارا بودن ساختار كريستالي با درجه بالاي بلوري (كه موجب افزايش استحكام و مدول الاستيك آن مي شود) و هم‌چنين توانايي تشكيل پيوندهاي هيدروژني قوي با نشاسته و PVA قادر به بهبود ويژگي هاي مكانيكي و بازدارندگي فيلم هاي بيونانوكامپوزيت است. در غلظت 10 درصد NCC نانوكامپوزيت ها، بالاترين UTS را نشان دادند، اما در غلظت هاي بالاتر، UTS كاهش يافت كه به تجمع NCC در ماتريكس پليمري نسبت داده شد. تجمع NCC در غلظت‌هاي 15 و 20 درصد به خوبي توسط الگوي XRD به صورت پيك نشان داده شد. واژگان كليدي: نشاسته، نانوكريستال سلولز، پلي وينيل الكل، ويژگي هاي فيزيكي

Background and Objective: Starch-based biopolymer films have disadvantages such as poor mechanical and barrier properties against water vapour that restrict their application in packaging. To improve the properties of starch-based films, different methods such as blending with other polymers and adding nanofillers have been suggested. Cellulose nanocrystals (NCC) are a suitable candidate for reinforcing starch biopolymers due to their biodegradability, nontoxicity, abundance in nature, low price, and renewability. The objectives of the current research were to investigate the effects of NCC and polyvinyl alcohol (PVA) on the properties of starch-based films to improve their mechanical and barrier properties. Materials and Methods: NCC was produced from cotton linter and added to the starch-PVA film-forming blend. Tests used to determine the properties of the films thus produced included mechanical, water- vapour permeability, thermal property, X-ray diffraction (XRD), and transmittance electron microscopy (TEM) tests. Results: Addition of PVA and NCC to film-forming solutions caused an increase in the maximum tensile stress (UTS) and a decrease in water-vapour permeability and solubility of the nanobiocomposit films. In addition, the XRD test showed that the 2 components ? polymer matrix and nanofiller – were well dispersed in the blend. The optimum structure was observed at a concentration of 10% NCC. Conclusion: Polyvinyl alcohol has OH groups and, hence, it can form hydrogen bonds with the starch OH groups, resulting in enhanced mechanical strength of polymer and improved mechanical and barrier properties of the biocomposite produced. Due to their high crystalline structure (as a result, high rigidity and elastic modulus) and their ability to form strong hydrogen bonds with starch and PVA, cellulose nanocrystals can potentially improve the mechanical and barrier properties of starch-based bionanicomposite films. The starch-based nanocomposites showed the highest UTS at a concentration of 10% NCC. At higher concentrations the UTS decreased, which could be attributed to aggregation of NCC in the polymer matrix. Aggregation of NCC at a level of 15% or 20% was observed as shown by XRD pattern peaks. Keywords: Starch, Cellulose nanocrystal, Polyvinyl alcohol, Physical properties