ویژگی های فیزیکوشیمیایی بیونانوکامپوزیت کربوکسی متیل سلولز حاوی نانورس و نانوکریستال سلولز

سالانه حدود 200 میلیون تن پلاستیک سنتزی مختلف در جهان تولید می شود که بیشترین بخش این مقدار در تولید مواد بسته بندی مورد استفاده قرار می گیرد. اگر چه پلیمرهای نفتی در انواع مختلف مواد بسته بندی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند ولی به دلیل زیست تخریب پذیری بسیار کم، منبع بزرگ زباله بعد از استفاده به حساب می آیند. اثرات محیطی زباله های پلاستیکی مقاوم در برابر تخریب پذیری، باعث نگرانی عمومی شده است و روش های از بین بردن چنین زباله هایی محدودند. سوزاندن آن ها موجب آلودگی هوا می شود. از طرف دیگر فضای کافی برای دفن این مواد وجود نداشته و دفن آن ها باعث آلودگی آب های زیرزمینی می شود و روش های بازیافت نیز هزینه و انرژی زیادی را نیاز دارند. به علاوه، منابع نفتی محدود بوده و در معرض تمام شدن هستند. بدین ترتیب استفاده از منابع تجدید پذیر برای تولید مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر یا خوراکی که باعث بقای کیفیت محصول و کاهش مشکلات ناشی از تجزیه زباله می شود، گسترش یافته است. برای این منظور انواعی از بیوپلیمرهای تجدید پذیر نظیر پلی ساکاریدها، پروتئین ها، لیپیدها و ترکیبی از آن ها برای توسعه مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر به منظور جایگزینی پلیمرهای نفتی زیست تخریب ناپذیر مورد بررسی قرار گرفته اند. کربوکسی متیل سلولز (cmc)، بیوپلیمری خطی و محلول در آب است. cmc توانایی تشکیل فیلم های مقاوم، شفاف، پیوسته و یکنواخت را دارد. علاوه بر این، فراوانی و در دسترس بودن منابع آن و قیمت مناسب، از دیگر مزایای استفاده از این پلیمر می باشد. با این وجود فیلم های cmc همانند دیگر فیلم های بیوپلیمری، قابل رقابت با پلاستیک های سنتزی نیست. مقاومت مکانیکی و حرارتی کمتر، از جمله مهم ترین معایب فیلم های بیوپلیمری محسوب می شوند. از طرف دیگر، هر چند نفوذ پذیری و حساسیت نسبت به رطوبت فیلم های cmc و دیگر فیلم های حاصل از مشتقات سلولزی در مقایسه با سایر فیلم های بیوپلیمری آب دوست کمتر می باشد، ولی در مقایسه با فیلم های سنتزی بسیار بیشتر است که این ویژگی ها باعث محدود شدن استفاده از این بیوپلیمر در زمینه بسته بندی می شود. راهکارهای مختلفی برای غلبه بر محدودیت های مواد بیوپلیمری پیشنهاد شده است. یکی از این راهکارها تولید فیلم های مخلوط با استفاده از مخلوط کردن بیوپلیمر با پلیمرهای سنتزی است. قابلیت انحلال در آب، غیر سمی بودن و زیست تخریب پذیری از جمله ویژگی هایی است که باعث استفاده گسترده از پلی وینیل الکل (pvoh) در اهداف بسته بندی شده است. یکی از مهم ترین پیشرفت ها در زمینه پلیمر، ورود فناوری نانو در این عرصه می باشد. تولید نانوکامپوزیت های پلیمر - نانورس، یکی از جدیدترین پیشرفت ها در تکنولوژی پلیمر به حساب می آید. افزودن مقادیر کمی نانورس می تواند مقاومت مکانیکی پلیمرها و بیوپلیمرها را افزایش داده و بازدارندگی در برابر بخار آب و گازها و سایر ویژگی های آنها را بهبود بخشد. در طول دهه گذشته، مطالعات گسترده ای در زمینه استفاده از نانوکریستال های پلی ساکاریدی از منابع مختلف با ماتریکس پلیمری و تولید بیونانوکامپوزیت ها از این طریق انجام گرفته است. نانوکریستال های سلولزی با داشتن استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی و حرارتی زیاد، قابلیت تقویت کنندگی و بهبود دهندگی ویژگی های پلیمرها و بیوپلیمرها را حتی در مقادیر کم دارا هستند. فراوانی، قیمت کم، دانسیته کم و دسترسی از منابع تجدید پذیر از دیگر ویژگی های نانوکریستال های سلولزی است که باعث تمرکز مطالعات بر روی استفاده از این نانوذرات در تولید نانوکامپوزیت ها شده است. جایگزینی نانورس با نانوپرکننده های سلولزی، منجر به تولید نانوکامپوزیت های کاملاً زیست تخریب پذیر و تجدید پذیر می گردد. در این مطالعه برای اولین بار به منظور بهبود ویژگی های فیلم cmc، از دو روش اصلاحی ذکر شده و به طور همزمان استفاده شد: تولید فیلم مخلوط با استفاده از پلی وینیل الکل و افزودن نانورس و نانوکریستال سلولز به عنوان پرکننده به فیلم مخلوط حاصل (تولید فیلم بیونانوکامپوزیت). نانوکامپوزیت های cmc-pvoh-cnw با استفاده از سوسپانسیون رقیق نانوویسکرهای سلولزی تهیه شدند. سوسپانسیون نانوویسکر سلولز به وسیله هیدرولیز اسیدی لینتر پنبه با استفاده از اسید سولفوریک تولید شد که حاوی ذرات میله ای شکل با طول میانگین nm 240 و قطر میانگین nm 13 بود. اثر pvoh، نانورس و نانوکریستال سلولز بر روی ویژگی های کاربردی بیونانوکامپوزیت های حاصل مورد بررسی و تأثیر دو نوع نانوپرکننده بر روی ویژگی های فیلم های حاصل مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزودن 10% پلی وینیل الکل، باعث بهبود خواص بازدارندگی، ویژگی های مکانیکی، خواص حرارتی و همچنین افزایش ویژگی آب گریزی سطحی فیلم cmc می شود. بررسی ساختار فیلم های نانوکامپوزیت با استفاده از آزمون xrd و afm نشان داد که لایه های نانورس و نانوویسکرهای سلولز به طور کاملاً یکنواخت در ماتریکس بیوپلیمر پخش می شوند. فیلم های بیونانوکامپوزیت حاصل، بهبود قابل توجهی را در ویژگی های بازدارندگی، خواص مکانیکی و حرارتی نشان دادند.