بهينه‌سازي ويژگي‌هاي فيزيكي و مكانيكي نانوكامپوزيت‌هاي زيست‌تخريب‌پذير كيتوزان-نانوسلولز

Optimisation of physical and mechanical properties for biodegradable chitosan-nanocellulose nanocomposites

پودر كيتوزان حاصل از پوست سخت پوستان قابليت تشكيل فيلم بالايي دارد؛ فيلم‌هاي كيتوزان در برابر پارگي بسيار مقاومند. از طرف ديگر، نانوذرات سلولز داراي نرخ زيست تخريب پذيري بالا و نسبت به ساير نانوپركن ها ارزان تر هستند. پژوهش حاضر سعي در بهينه سازي نانوكامپوزيت هاي كيتوزان-نانوسلولز تهيه شده به روش قالب‌ريزي، به منظور استفاده از تمامي قابليت هاي اين مواد فراوان در طبيعت دارد. پودر كيتوزان با وزن مولكولي بالا، نانوسلولز با قطر الياف 50-20 نانومتر و نيز گليسرول به منظور بهينه سازي ويژگي هاي نانوكامپوزيت ها، به كار گرفته شد. افزودن نانوذرات سلولز به فيلم هاي كيتوزان باعث كاهش محتواي رطوبتي، افزايش درصد كشش در نقطه پارگي (تا 1/30 درصد) و نيز بهبود پارامترهاي رنگي فيلم ها گرديد؛ كاهش غلظت گليسرول در نانوكامپوزيت ها سبب كاهش مقادير حلاليت در آب (تا 7/28 درصد) و نفوذپذيري بخار آب و به طور همزمان افزايش مدول كشساني نانوكامپوزيت ها (تا 7/3 گيگاپاسكال) شد. نانوكامپوزيت حاصل از مقادير 1 گرم كيتوزان، 18/0 درصد نانوسلولز و 30 درصد گليسرول بالاترين مطلوبيت كلي (75 درصد)، بر اساس ارزيابي تمامي پارامترهاي مكانيكي و فيزيكي را حاصل كرد. آزمون ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشان داد كه غلظت هاي بالاي كيتوزان (3/1 گرم) و نانوسلولز (2 درصد) تشكيل ساختاري شبكه مانند و تودرتو مي دهند كه اين ساختار، توجيه كننده بهبود قابليت كشش پذيري فيلم كيتوزان پس از افزودن نانوذرات نيز مي باشد.

Extracted chitosan powder from crustacean crust has a high capacity for film forming; chitosan films are very resistant against breaking. On the other hand, cellulose nanoparticles have high biodegradability rates and are cheaper than other nanofillers. The aim of current research was to prepare and optimize chitosan-nanocellulose nanocomposites in order to utilize whole capabilities of these common materials. Chitosan powder with a high molecular weight, nanocellulose particles having diameters of 20-50 nm and glycerol were applied for optimisation purposes of nanocomposite properties. Addition of cellulose nanoparticles to chitosan films decreased moisture content, increased (till 30.1%) elongation-at-break and improved a* and b* values for final nanocomposites; decrease of glycerol concentration caused a decrease (till 28.7%) in water solubility and water vapour permeability rate and simoultanously increased (till 3.7 GPa) elastic module of nanocomposite. Nanocomposites containing 1 gr chitosan, 0.18% nanocellulose and 30% glycerol led to the highest desirability (75%). Scanning electron microscopy revealed that high concentrations of chitosan powder and cellulose nanoparticles could construct an intricate structure which justifies improvement of elongation capability after addition of nanoparticles to the chitosan films.