خواص ریخت شناسی، مکانیکی و بازدارندگی فیلم های کامپوزیتی پلی لاکتیک اسید/ نانوکریستال سلولز/ نانورس

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار گروه سلولزی و بسته بندی - پژوهشکده شیمی و پتروشیمی - پژوهشگاه استاندارد

چکیده

این تحقیق با هدف تولید فیلم های کامپوزیتی زیست تخریب پذیر حاصل از ذرات نانوکریستال سلولز، نانورس و پلی لاکتیک اسید (PLA) انجام شد. فیلم های نانوکامپوزیت حاوی درصدهای مختلف نانوکریستال سلولز و نانورس (0، 3 و 5 درصد وزنی) با استفاده از روش قالب گیری حلال تهیه و خواص ریخت شناسی، مکانیکی و بازدارندگی آنها مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این منظور از آزمون تفرق اشعه ایکس (XRD) برای مطالعه کیفیت پراکنش نانوذرات در ماده زمینه PLA استفاده شد. برای ارزیابی خواص مکانیکی و بازدارندگی فیلم ها، استحکام کششی، نفوذپذیری در برابر بخار آب و سرعت انتقال اکسیژن نمونه ها اندازه گیری شد. الگوهای پراش اشعه ایکس نشان داد PLA خالص ساختار نیمه‌بلوری دارد که با افزودن نانوکریستال سلولز به آن ساختار منظم تری پیدا کرده و درجه بلورینگی آن بهبود یافته است. همچنین مشاهدات ساختاری نشان دهنده تشکیل ساختار بین لایه ای در فیلم های نانوکامپوزیتی حاوی درصدهای مختلف نانورس بود. نتایج آزمون کشش حاکی از آن است که وجود نانوکریستال سلولز در ماده زمینه پلیمری موجب افزایش استحکام کششی و مدول الاستیسیته نانوکامپوزیت نسبت به PLAخالص می شود. همچنین با افزایش مقدار نانورس تا سطح 3%، خواص مکانیکی فیلم های کامپوزیتی افزایش یافت، با این وجود افزایش بیشتر مقدار نانورس (تا سطح 5%) موجب افت خواص مکانیکی فیلم ها شد. روند افزایشی خواص مکانیکی در اثر حضور همزمان دو نوع پرکننده نانومتری به ضریب ظاهری و مدول بالای نانوذرات و کاهش خواص مکانیکی در سطوح بالای اختلاط ذرات نانورس به تجمع، پراکنش نایکنواخت و تشکیل توده های درهم رفته نسبت داده شد. از طرف دیگر افزودن نانوکریستال سلولز و نانورس با کاهش نفوذپذیری در برابر بخار آب و سرعت انتقال اکسیژن موجب بهبود خواص بازدارندگی نانوکامپوزیت‌ها شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Morphological, Mechanical and Barrier Properties of Polylactic Acid/Cellulose Nanocrystal/Nanoclay Composite Films

نویسندگان [English]

  • Behzad Kord
  • Mehdi Roohani
چکیده [English]

The aim of this study was to develop the biodegradable nanocomposite films based on polylactic acid (PLA) reinforced with cellulose nanocrystal and nanoclay. Nanocomposite films with different loads of nanocrystal and nanoclay (0, 3 and 5 wt%) were prepared using a solvent casting method and their morphological, mechanical and barrier properties were tested. The study of nanoparticles dispersion quality in a PLA matrix has been examined using X-ray diffraction (XRD). For evaluating the mechanical and barrier properties of films, tensile strength, water vapor permeability and oxygen transmission rate were measured. XRD patterns showed that pure PLA has a semi-crystalline structure and addition of cellulose nanocrystal into this polymer would produce a more regular structure which results in improved crystallization. Also, the morphological findings revealed the formation of intercalation structure in nanocomposite films at all nanoclay loadings. The results indicated that the presence of cellulose nanocrystalls in the polymer matrix increased the tensile strength and elastic modulus of nanocomposite compared to those of pure PLA. Moreover, the mechanical properties of composite films increased with the increase of nanoclay up to loading fraction of 3%, but decreased using higher (5%) nanoclay loading fraction. The positive effect of nanofillers on mechanical properties is related to their high aspect ratio, crystalline structure and modulus. Furthermore, the decrease in mechanical properties at higher clay content levels is probably due to the formation of clay agglomeration, and its uneven distribution. Besides, the adding of cellulose nanocrystal and nanoclay improved barrier properties, by reduction of water vapor permeability and oxygen transmission of nanocomposite films.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polylactic acid
  • Cellulose nanocrystal
  • X-ray diffraction
  • Tensile strength
  • Barrier Properties