فوم نانوبیوکامپوزیت نشاسته ترموپلاستیک/نانوالیاف سلولز: بررسی خصوصیات مکانیکی و گرمایی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 سردبیر

2 دانشجوی دکتری، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشگاه تهران

4 رئیس مرکز رشد واحدهای فناور سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران

5 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

چکیده
سابقه و هدف : در سال‌های اخیر حجم تولید فوم‌های پلی استایرن بسیار زیاد شده است.بیشتر این فوم‌ها در صنایع غذایی و بسته‌بندی استفاده می‌شوند. افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی نیاز به توسعه مواد زیست تخریب پذیر را ایجاد کرده است. نشاسته زیست پلیمری قابل دسترس، قابل تجدید، ارزان و زیست‌تخریب پذیر و قابل ترموپلاست شدن است. این عوامل دلایل علاقه‌مندی زیاد به استفاده از نشاسته به عنوان جایگزین پلیمرهای سنتزی (مثل پلی استایرن) می‌باشد. اما فوم نشاسته دارای خصوصیات گرمایی و مکانیکی ضعیفی است. یکی از راه‌های مهم بهبود خواص فوم نشاسته استفاده از نانوالیاف سلولز به‌عنوان تقویت‌کننده در ساختار فوم است. چالش اصلی برسر راه فوم کردن نشاسته تقویت شده با نانوالیاف سلولز، وجود آب فراوان در ژل NFC (nanofibrillated cellulose)است. این میزان آب سبب ایجاد حفرات درشت در هنگام تشکیل فوم می‌شود که خصوصیات فوم را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد. در این مطالعه نانوالیاف سلولز در اکسترودر با نشاسته ترموپلاستیک( TPS ، Thermoplastic starch) مخلوط می‌شود تا پخش مناسبی از NFC در ماده زمینه پلیمری به‌دست آید. سپس فوم TPS/NFC تشکیل‌شده و اثر NFC بر خواص گرمایی و مکانیکی فوم حاصل بررسی می‌گردد.
مواد وروش‌ها :. به‌منظور ساخت نانوبیوکامپوزیت نشاسته ترموپلاستیک/ نانو الیاف سلولز گرانول نشاسته ذرت به صورت پودر، گلیسرول و ژل NFC و آزودی کربنامید تهیه‌شد. گلیسرول به میزان 30 درصد وزنی به عنوان ماده نرم‌کننده برای تولید TPS استفاده شد. نانو الیاف سلولز به میزان 5/0 ، 1 و 5/1 درصد وزنی برای تقویت نشاسته استفاده شد. پودر آزودی کربنامید به عنوان عامل فوم‌زا به میزان 2/0 درصد وزنی مورد استفاده قرار گرفت. مواد مورد نیاز برای هر تیمار در یک اکسترودر دو ماردونه همسو گرد مخلوط شدند وگرانول‌هایNFC TPS/ دارای ماده فوم‌زا تهیه شدند. در مرحله بعد گرانول‌های به دست آمده از اکسترودر به پرس گرم با دمایی بالاتر از دمای عملکرد ماده فوم‌زا منتقل شدند و فوم نانوبیوکامپوزیت TPS/NFC ساخته شد. به‌منظور بررسی ساختار مورفولوژیکی نمونه‌ها عکس‌های FE-SEM تهیه شد. آزمون‌های گرما وزن‌سنجی(TGA), کالری متری پویش تفاضلی(DSC) و آنالیز دینامیکی – مکانیکی – گرمایی(DMTA) برای بررسی خصوصیات گرمایی و مکانیکی نمونه‌ها انجام شد.
یافته ها : عکس‌های FE-SEM نشان داد فوم نانوبیوکامپوزیت TPS/NFC حفرات بیشتر و کوچک‌تری در مقایسه با فوم TPS دارد و این موضوع به علت اثر هسته‌زایی NFC است. نتایج TGA نشان داد با افزایش NFC ثبات گرمایی نانوبیوکامپوزیت‌های فوم TPS/NFC بیشتر شد نتایج DSC نشان داد با افزایش NFC دمای انتقال شیشه‌ای نمونه‌ها افزایش یافت. نتایج DMTA نشان داد مدول ذخیره نمونه‌ها بعد از اضافه کردن NFC افزایش یافت. دلیل این امر ایجاد فوم میکروسلولی و نیز تقویت دیواره سلولی فوم توسط نانوالیاف سلولز می‌باشد. همچنین نتایج نشان داد مدول اتلاف و فاکتور اتلاف با افزایش NFC افزایش یافت.
نتیجه گیری: نتایج تحقیق نشان دادNFC خواص گرمایی و مکانیکی فوم TPS/NFC را بهبود داد. اضافه کردن NFC به TPS سبب می‌شود در هنگام فوم شدن سلول‌های کوچک‌تر و همگن‌تری تولید شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Thermoplastic Starch / Cellulose Nanofiber Nanobiocomposite Foam: Investigation on Thermal and Mechanical Properties

نویسندگان [English]

  • Taghi Tabarsa 1
  • Abas Ghanbari 2
  • Alireza Shakeri 3
  • Alireza Ashori 4
  • Mahdi Mashkour 5
4 Director of Technology Incubator of IROST
چکیده [English]

Abstract
Background and Aim: In recent years, has been increased production volume of polystyrene foams. These foams are applicable in food and packaging industries. Growing environmental concerns have created a need to develop biodegradable materials. Starch is a widely available, renewable, low cost, biodegradable and thermoplast (TPS). For these reason starch generates a great interest at it is considered as promising alternative to synthetic polymers (as polystyrene). But poor mechanical properties is a limited parameter to use this polymer. One of the important ways to reduce this limitation, is improvement of the thermal and mechanical properties using of nanofiber cellulose as reinforcement of foam. But NFC gel is aqueous and it forms irreversible aggregates when dried. High moisture create big cells in foaming and effect on foam properties. This subject limite using of NFC (nanofiber cellulose) to prepare polymeric composites. The aim of current research is using NFC (nanofibercellulose) to prepare NFC/TPS nanobiocomposite foam by extrusion mixing for better dispersion of NFC in matrix polymer and investigation on thermal and mechanical properties of foam.
Materials and Methods: Granules powder of corn starch, glycerol, NFC gel, and azodicarbonamide have been used to make NFC-TPS nanobiocomposite foam. Glycerol (30, wt %) as plastisizer. NFC (0.5, 1, 1.5, wt %) as reinforcing agent and azodicarbonamide (0.2, wt %) as blowing agent (BA) were used. Raw materials were mixed in a co-rotating two screw extruder. Then TPS/NFC/ BA granules was prepared. Then by using of these granules, nanobiocomposites foams were prepared under hot press (temperature higher than degradation temp of BA). The morphology of the samples studied by FE-SEM. The tests thermogravimetry (TGA), differential scanning calorymetry (DSC), dynamic-mechanical- thermal analysis (DMTA) were done on TPS/NFC nanobiocomposite foams for determination of the thermal and mechanical properties.
Findings: FE-SEM images showed, that TPS/ NFC nanobiocomposite foam has higher and smaller pores in comparison TPS foam. This is due to nucleation effect of NFC. TGA showed thermal stability of TPS/NFC nanobiocomposite foam with increasing of NFC. DSC showed transition glass temperature has been increased with increasing of NFC content. The DMTA showed storage modulus and loss modulus increased with increasing of NFC conten but tan delta decreased. The reason of this result is formation microcellular foam and reinforcment of the cell wall of foam by NFC.
Conclusion: the results of research showed NFC improved thermal and mechanical properties of TPS/NFC foam. TPS/NFC foam had more unique and smaller in comparison of TPS foam.

کلیدواژه‌ها [English]

  • “Nanobiocomposite”
  • “Foam”
  • “Thermoplastic starch (TPS)”
  • “Nanofibercellulose (NFC)”
  • “Mechanical and Thermal Propertise”
1-Benezet, J.C., Davidovic, A.S., Bergeret, A., Ferry, L., and Crespy, A. 2012. Mechanical and
physical properties of expanded starch, reinforced by natural fibers. J. of Industrial crops and
products. 37: 435-440.
2-Bhatnagar, S., Hanna, M. 1995. Properties of extruded starch-based plastic foam. J. of
industrial crops and products. 4: 71-77.
3-Chen, M., Chen, B., and Evans, J. 2005. Novel thermoplastic starch-clay nanocomposite
foams. J. of Nanotechnology. 16: 2334-2337.
4-Dlouha, J., Suryanegara, I., and Yano, H. 2014. Cellulose nanofiber-poly (lactic acid)
microcellular foams exhibiting high tensile toughness. J. of Reactive and Functional
Polymers. 85: 201-207.
5-Ghanbarzadeh, B., Almasi, H., and Zahedi, Y. 2009. Biodegradable edible biopolymers. Amir
Kabir University of Technology tehran polytechnic press. Chapter 5.
6-Ghanbarzadeh, B., Almasi, H., and Entezami, Ali. 2010. Physical properties of edible
modified starch /carboxymethyl cellulose films. J. of Innovative food Science and Emerging
Technologies. 11: 697-702.
7-Guan, J., and Hanna, M. 2006. Selected morphological and functional properties of extruded
acetylated strch-cellulose foams. J. of Bioresource Technology. 97: 1716-1726.
8-Hu, F., Lin, N., Chang, P., and Huang, J. 2015. Reinforcement and nucleation of acetylated
cellulose nanocrystals in foamed polyester composites. J. of Carbohydrate Polymers. 129:
208-215.
9-Kaushik, A., Singh, M., and Verma, G. 2010. Green nanocomposites based on thermoplastic
starch and steam exploded cellulose nanofibrils from wheat straw. J. of carbohydrate
polymers. 82: 337-345.
10-Liu, D., Dong, Y., Bhattacharyy, D., and Sui, G. 2017. Novel sandwiched structures in
starch/ cellulose nanowhiskers (CNWs) composite films. J. of Composites Communications.
4: 5-9.
11-Lomeli-Ramirez, G.M.S., Kestur, G., Maniquez-Gonzalez, R., Iwakiri, S., Bolzonde Muniz,
G., and Sydenstricker Flores-sahagun, T. 2014. Bio-composites of cassava starch-green
coconut fiber: polymers. 102: 576-583.
12-Lopez, O., Zaritzky, N., Grossmann, M., and Garcia, M. 2013. Acetilated and native corn
starh blend films produced by blown extrusion. J of Food Engineering. 116: 286-297.
13-Lopez-Gil, A., Silva- Bellucci, F., Velasco, D., Ardanuy, M., and Rodriguez-perez, M.A.
2015. Cellular structure and mechanical properties of starch- based foamed blocks reinforced
with natural fibers and produced by microwave heating. J. of industrial crops and products.
66: 194-205.
14-Martins, I.M., Magina, S.P., Oliveira, L., Freire, L., Silvestre, A.J.D., Pascoalneto, C., and
Gandini, A. 2009. New biocomposites based on thermoplastic starch and bacterial cellulose.
J of composites sciences and technology. 69: 2163-2168.
15-Matuana, L., and Diaz, C. 2010. Study of cell nucleation in microcellular Poly (lactic acid)
foamed with supercritical CO2 through a continuous-extrusion process. J. of Ind. Eng.
Chem. Res., 49: 2186-2193.
16-Mi, H.Y., Jing, X., Peny, J., Salick, M.R., Peny, X.F., and Turng, L, Sh.M. 2014. Poly (ɛcaprolactone)
(PCL)/ cellulose nano-crystal (CVC) nanocomposites and foams. J. of
Cellulose. 21, 4, 2727-2741.
17-Mihai, M., Huneault, M., Favis, B., and Li, H. 2007. Extrusion foaming of semi-crystalline
PLA and PLA-Thermoplastic starch blends. J. of Macromolecular Bioscience. 7: 907-920.
18-Motahari, S., and Rezaeian, A. 2007. Physical and Mechanical Prorertice of Polymers.
Tehran University. 158p.
19-Nabar, Y., and Narayan, R. 2006. Twin- Screw extrusion production and Characterization of
starch foam products for use in cushioning and insulation applications. J. of Polymer
Engineering and Science, Doi 10. 1002/pen.2.292.
20-Sabetzadeh, M., Bagheri, R., Masoomi, M., and Ranjbar, M. 2013. Preparation and
investigation of properties of thermoplastic starch-low density polyethylen; Part 2: Water
Absorption behavior. J. of Chemistry and Chemistry engineering. 32: 3,25-30.
21-Svagan, J.A.S., Hedengvist, M., and Berglund, L. 2008. Reduced water vapor sorption in
cellulose nanocomposites with starch matrix. J. of Composites Science and Technology. 69:
500-506.
22-Svagam, J.A., Jensen, P., Dvinskikh, S., Furo, I., and A. Berglund, L. 2010. Towards tailored
hierarchical structures in cellulose nanocomposites biofoams prepared by freezing/freezedryind.
J. of Materials Chemistry. 20: 6646-6654.
23-Taghizadeh, A., and Favis, B. 2013. Effect of high molecular weight plasticizer on the
gelatinization of starch under static and shear conditions. J. of Carbohydrate Polymers. 92:
1799-1808.
24-Teixeira, E.M., Pasquini, D., Curvelo, A., Corradini, E., Belgacem, M.N., and Dufresne, A.
2009. Cassava bagasse cellulose nanofibrils reinforced thermoplastic cassava starch. J. of
carbohydrate polymers. 78: 422-431.
25-Wang, L., Zhou, H., Wang, X., and Mi, J. 2016. Evaluation of nanoparticle effect on bubble
nucleation in polymer foaming. J. of Physical Chemistry. 120: 26841-26851.