ساخت و ارزیابی خواص فیلم نانو چندسازه پلی اتیلن سبک حاوی نانو الیاف سلولزی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

2 دانشیار ، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: امروزه نانوذرات و نانو الیاف سلولزی (CNF) جایگاه گسترده‌ای در صنایع غذایی بویژه صنعت بسته‌بندی پیدا کرده‌اند. حضور این مواد در ساختار ماده بسته‌بندی می‌تواند نقش مفیدی در بهبود ویژگی‌های مکانیکی، بازدارندگی و حرارتی ماده بسته‌بندی ایفـاء کنـد. نانو الیاف سلولزی به دلیل دسترس‌‌‌پذیری بالا، قیمت مناسب، تجدیدپذیری، سطح ویژه زیاد و ویژگی‌‌های مکانیکی مناسب به عنوان تقویت‌کننده در نانو چندسازه‌ها، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. هدف از این مطالعه، ارزیابی برخی خواص مکانیکی، فیزیکی همچنین ریخت‌شناسی نانو چندسازه‌ها تشکیل شده از نانو الیاف سلولزی (CNF) و پلی اتیلن سبکLDPE) ) می‌باشد. در تحقیق حاضر، از انیدرید مالئیک استیرن (SMA) به عنوان جفت‌کننده جهت ازدیاد برهم‌کنش بین اجزاء استفاده شد.
مواد و روش‌ها: نمونه‌های نانو چندسازه‌ها با مقادیر مختلف نانو الیاف سلولزی (0، 3، 5 و 10 درصد وزنی)، با روش خشک‌کردن انجمادی ژل نانو الیاف سلولزی و اختلاط مذاب نانو الیاف سلولزی خشک شده با LDPE با استفاده از مخلوط‌کن داخلی و سپس با روش قالب‌گیری فشاری تهیه شدند. نمونه‌ها از طریق آزمون‌های جذب آب، طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، آزمون مکـانیکی (شـامل مدول الاستیسیته، کرنش تا نقطه شکست و استحکام کششی) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) مورد سنجش قرار گرفتند. همچنین برای تشخیص نحوه پراکنش نانو الیاف سلولزی در ماتریس پلیمری از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده گردید.
یافته‌ها: ریزنگاره‌های AFM، اندازه نانو الیاف سلولزی در مقیاس نانو را تایید نمود و میانگین قطر نانو الیاف سلولزی 10±35 نانومتر به‌دست آمد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه‌شده از سطح شکست فیلم‌ها، تأیید کننده پراکندگی مطلوب و یکنواخت نانو الیاف سلولزی بود. نتایج آزمون‌های مکانیکی حاکی از آن است که وجود نانو الیاف سلولزی در ماتریس پلیمری موجـب افـزایش اسـتحکام کششـی و مدول الاستیسیته نانو چندسازه‌ها نسبت به LDPEخالص می‌شود. در این رابطه نانو چندسازه تهیه‌شده از 10درصد وزنی نانو الیاف سلولزی، دارای بیشترین استحکام کششی و مدول الاستیسیته بودند. همچنین نتایج نشان داد، مقدار کرنش تا نقطه شکست نانوچندسازه‌ها با افزودن نانو الیاف سلولزی به درون ماتریس پلیمری کاهش یافت. بررسی تأثیر نانو الیاف سلولزی بر میزان جذب رطوبت در فیلم‌های مورد بررسی نشان داد، با افزایش مقدار نانو الیاف سلولزی از صفر تا 10 درصد جذب آب از 46/0 به 90/0 درصد افزایش یافت.
نتیجه‌گیری: همه نتایج به‌دست آمده در این پژوهش اثر مناسب نانو الیاف سلولزی بر برهم‌کنش قوی با پلی اتیلن را نشان داد که موجب افزایش خواص مکانیکی نانو چندسازه‌ها شد. البته مدول الاستیسیته فیلم‌های نانو چندسازه‌ها، افزایش چشمگیری داشت. همچنین درصد وزنی نانو الیاف سلولزی موثرترین پارامتر روی استحکام کششی و مدول الاستیسیته نمونه‌های نانو چندسازه‌ها می‌باشد. با افزودن نانو الیاف سلولزی درصد جذب آب نانو چندسازه‌ها افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Shoboo Salehpour 1
  • Hossien Yousefi 2
1 Wood Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran,
2 Assistant prof. Department of wood and paper sience and techonolog. Faculty of natural resources .university of gorgan
چکیده [English]

Abstract
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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cellulose nanofiber
  • low-density poly (ethylene)
  • freeze dryer
  • styrene maleic anhydride mechanical properties

مراجع

1.Abdul Majid, R., Ismail, H., and Mat Taib, R. 2010. Properties of low density polyethylene/ thermoplastic sago starch reinforced kenaf fibre composites. Iranian Polymer J. 19: 7. 501-510.
2.Ahmadi, M., Behzada, T., Bagheria, R., and Heidarian, P. 2018. Effect of cellulose nanofibers and acetylated cellulose nanofibers on the properties of low-density polyethylene/thermoplastic starch blends. International Polymer.
3.Alidadi-Shamsabadi, M., Behzad, T., Bagheri, R., and Nari-Nasrabadi, B. 2015. Preparation and Characterization of Low Density Polyethylene /Thermoplastic Starch Composites Reinforced by Cellulose Nanofibers. Polymer Composites. 36: 12. 2309-2316.
4.Arbelaiz, A., Fernandez, B., Cantero, G., liano pote, R., Valea, A., and Mondragon, I. 2005. Mechanical properties of short flax fiber bundle/ polypropylene
composites. Influence of matrix/ fiber modification,fiber content, water uptake and recycling. J. of composites science and technology 65: 1582-159.
5.Diallo, A.K., Jahier, C., Drolet,R., Tolnai, B., and Montplaisir, D.2019. Cellulose filaments reinforced low-density  polyethylene. Polymer Composites. 10: 16-23.
6.Dufresne, A., Dupeyre, D., and Paillet, M. 2002. Lignocellulosic flour-reinforce poly (hydroxybutyrate-co-valerate) composites. J. of Applied Polymer Science.87: 3.1302-1315.
7.Dufresne, A., and Belgacem, M.N. 2013. Cellulose reinforced composites: from micro to nanoscale, overview, polymeros. Science and Technology. 23: 3. 277-286.
8.Elanmugilan, M., Sreekumar, P.A., Singha, N.K., Al-Harthi, M.A., and De, S.K. 2013. Natural weather, soil burial and sea
water ageing of low-density polyethylene: effect of starch/linear low density polyethylene masterbatch. J. of Applied Polymer Science, 129: 1. 449-452.
9.Gacitua, W.E., Ballerini, A.A., and Zhang, J. 2005. Polymer nanocomposites: synthetic and natural fillers a review. Science and Technology. 7: 3. 159-178.
10.Gontard, N., Guilbert, S., and Cuq, J.L. 1992. Edible wheat gluten films: Influence of the main process variables on film properties using response surface methodology. J. of Food Science. 57:1. 190-195.
11.Gousse, C., Chanzy, H., Cerrada, M.L., and Fleury, E. 2004. Surface silylation of cellulose microfbrils: preparation
and rheological properties. Polymer.45: 1569-1575.
12.Graya, N., Hamzeha, Y., Kabooranib, A., and Abdulkhani, A. 2018. Influence of cellulose nanocrystal on strength
and properties of low density polyethylene and thermoplastic starch composites. Industrial Crops and Products. 115: 2018. 298-305.
13.Gupta, A., Kumar, V., and Sharma, M. 2010. Formulation and characterization of biodegradable packaging film
derived from potato starch and LDPE grafted with maleic anhydride LDPE Composition. J. of Applied Environment. 18: 4. 484-493.
14.Henry, S.M., Sayed, M.E.H., Pirie, C.M., Hoffman, A.S., and Stayton, P.S. 2006. pH-responsive poly (styrene-alt maleicanhydride) alkylamidecopolymers for intracellular drug delivery. Biomacromolecules. 7: 8. 2407-2414.
15.Kampeerapappun, P., Aht-ong, D., and Pentrakoon, D. 2007. Preparation of cassava starch/montmorillonite composite film. Carbohydrate Polymers. 67: 2. 155-163.
16.Kazimi, M.R. 2014. Characterization of Functionalized Low Density Polyethylene/Polyaniline Nano Fiber Composite. J. of Medical and Bioengineering. 3: 4. 309-316.
17.Liu, X., Yu, L., Xie, F., Petinakis, E., Sangwan, P., Shen, S., and Dean, K. 2013. New evidences of accelerating degradation of polyethylene by starch.J. of Applied Polymer Science.130: 4. 2282-2290.
18.Maia, T.H.S., Larocca, N.M., Beatrice, C.A.G., Menezes, A.J., Siqueira, G.F., Pessan, L.A., Dufresne, A., and
Franc, M.P., and Lucas, A.A. 2017. Polyethylene cellulose nanofibrils nanocomposites. Carbohydrate Polymers. 173: 50-56.
19.Matsumura, H., Sugiyama, J., and Glasser, W.G. 2000. Cellulosic nanocompositesthermally deformable cellulose hexanoates from heterogeneous reaction. J. of Applied Polymer Science. 78: 2242-2253.
20.Oksman, K., Mathew, A.P., Bondeson, D., and Kvien, I. 2006. Manufacturing process of cellulose whiskers/polylactic acid nanocomposites. Composites Science and Technology. 66: 15. 2766-2784.
21.Panaitescu, D.M., Notingher, P.V., Ghiurea, M., Ciuprina, F., Paven, H., Iorga, M., and Florea, D. 2007. Properties of composite materials from polyethylene and cellulose microfibrils. J. of Optoelectronics and Advanced Materials. 9: 8. 2524-2528.
22.Pandey, J.K., and Singh, R.P. 2005. Green nanocomposites from renewable resources: effect of plasticizer on the structure and material properties of clay filled starch. Starch. 57: 1. 8-15.
23.Petersson, L., and Oksman, K. 2006. Biopolymer based nanocomposites: comparing layered silicates and microcrystalline cellulose as nanoreinforcement. Composites Science and Technology, 66: 13. 2187-2196.
24.Mhumak, C., and Pechyen, C. 2017. Recycled polyethylene and waste cellulose composite: a strategic approach on sustainable plastic packaging application. J. of Waste Recycling. 2: 2:8. 1-7.
25.Poletto, M. 2016. Effect of styrene maleic anhydride on physical and mechanical properties of recycled polystyrene wood flour composites. Maderas. Cienciay Tecnología. 18: 4. 533-542.
26.Ramezani Kakroodi, A., Cheng, Sh., Sain, M., and Asiri, A. 2014. Mechanical, thermal, and morphological properties of nanocomposites based on poly (vinyl alcohol) and cellulose nanofiber from aloevera rind. J. of Nanomaterials. 2014: 3. 1-
27.Salehpour, Sh., Jonoob, M., Hamzeh, Y., and Khanali, M. 2018. Physical mechanical and photodegradation properties of poly (butylene succinate) / cellulosenan of ibernano composite. Forest and Wood Products. 70: 2. 161-171.
28.Salehpour, Sh., Rafieian, F., Jonoob, M., and Oksman, K. 2018. Effects of molding temperature, pressure and time on polyvinylalcohol nanocomposites properties produced by freeze drying technique. Industrial Crops and Products. 121: 2018. 1-9.
29.Sapkota, J., Natterodt, J.C., Shirole, A., Foster, E.J., and Weder, C. 2017. Fabrication and properties of  polyethylene/cellulosenanocrystalcompo sites. Macromolecular Materials and Engineering. 302: 1. 1-6.
30.Sarifuddin, N., Ismail, H., and Ahmad, Z. 2013. The effect of kenaf core fiber loading on properties of low density polyethylene/thermoplastic sago starch /kenaf core fiber composites. J. of Physical Science. 24: 2. 97-115.
31.Wang, B., and Sain, M. 2007. The effect of chemically coated nanofiberrein forcement on biopolymer based nanocomposite. BioResources. 2: 3. 371-388.
32.Yousefi, H., Azad, S., Mashkour, M., and Khazaeian, A. 2018. Cellulose nanofiber board, Carbohydrate polymers. 187: 133-139.
33.Yousefi, H., Azari, V., and Khazaeian, A. 2018. Direct mechanical production of wood nanofibers from raw wood micro particles with no chemical treatment. Industrial crops and products. 115: 26-31.
34.Yucheng, P., Gallegos, S.A., Gardner, D.J., Han Y., and Cai, Z. 2014. Maleic anhydride polypropylene modified cellulosenanofibril polypropylene nanocomposites withenhanced impact strength. Polymer Composites. 10: 1-12.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 27، شماره 2
شهریور 1399
صفحه 32-46

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار