مدل سازی جذب رطوبت و نفوذ پذیری بخار آب در نانوکامپوزیت های نشاسنه، حاوی نانوکریستال های سلولز و نانورس

نشاسته پس از سلولز، فراوان ترین و در دسترس ترین پلی ساکارید بوده و به علت داشتن ماهیت پلیمری، قابلیت فیلم سازی خوبی دارد؛ اما به دلیل دارا بودن برخی معایب، فیلم های حاصل از آن خواص کاربردی مطلوبی ندارند. خاصیت آبدوستی شدید نشاسته و مقاومت ضعیف فیلم های حاصل از آن در برابر رطوبت و همچنین خواص مکانیکی ضعیف آن در مقایسه با پلیمرهای سنتزی، مهمترین معایب فیلم های حاصل از نشاسته می باشند که باعث محدود شدن استفاده از این بیوپلیمر در زمینه ی بسته بندی می شود. راهکارهای مختلفی برای غلبه بر این محدودیت ها پیشنهاد شده است. یکی از مهمترین پیشرفت ها در زمینه ی پلیمر، ورود فناوری نانو در این عرصه می باشد. تولید نانوکامپوزیت ها یکی از جدیدترین پیشرفت ها در تکنولوژی پلیمر به حساب می آید. افزودن نانوذرات 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 دهد. در این تحقیق، از نانورس و نانوکریستال سلولز برای بهبود خواص فیزیکی فیلم های حاصل از نشاسته استفاده شد. غلظت های مختلف از این نانوذرات (3، 5، 7 و 9% وزن نشاسته) به نشاسته اضافه گردید. مهمترین نتایج حاصل از این تحقیق را می توان به صورت زیر خلاصه نمود: 1. نانورس و نانوکریستال سلولز، حلالیت در آب، میزان جذب رطوبت و نفوذپذیری نسبت به بخار آب فیلم های نشاسته ای را کاهش می دهند. ? 2. نانورس و نانوکریستال سلولز، در همه ی غلظت ها، استحکام کششی فیلم ها را افزایش داده و انعطاف پذیری آنها را کاهش می دهند که بروز این خواص به ویژگی های ساختاری و برقراری پیوندهای هیدروژنی نانوپرکننده ها با زنجیرهای نشاسته، نسبت داده شد. ? 3. نتایج آزمون dsc نشان داد که اتصال نانورس با زنجیرهای نشاسته باعث افزایش نظم یافتگی در نواحی آمورف و گسترش و تکامل نواحی کریستالی می شود. افزایش دمای ذوب و دمای انتقال شیشه ای با افزایش غلظت نانورس، دلیلی برای توجیه این مسئله بود. ? 4. نتایج آزمون dsc نشان داد که اضافه کردن نانوکریستال سلولز به فیلم نشاسته، باعث افزایش دمای ذوب می گردد؛ اما دمای انتقال شیشه ای با افزایش غلظت این نانوفیبرها کاهش می یابد که علت این مسئله، احتمالاً افزایش تقریبی فاصله زنجیره ها و فضاهای خالی در ناحیه ی آمورف و خروج پلاستی سایزر از ناحیه ی کریستالی نشاسته می باشد. 5. برای بررسی دقیق تر نحوه ی پخش نانورس در ماتریکس نشاسته ای، از آزمون xrd استفاده شد. نتایج نشان دادند که نحوه ی پخش نانوذرات در ماتریکس پلیمر، به صورت ورقه ای می باشد. علت این مسئله، سازگاری نانوذرات اضافه شده با ماتریکس پلیمر و برقراری پیوندهای بین سطحی با آن می باشد. مهم ترین هدف از کاربرد فیلم ها و پوشش ها، جلوگیری از انتقال جرم و نفوذ آب یا سایر ترکیبات مانند دی اکسید کربن و یا ترکیبات فرار بین محصول و محیط اطراف و یا بین لایه های مختلف از محصول می باشد. برای بسیاری از مواد غذایی با محتوای رطوبتی پائین، آب می تواند به عنوان پلاستی سایزر عمل کرده و باعث آسیب های بافتی شود؛ بنابراین کنترل میزان جذب رطوبت در طول نگهداری این غذاها بسیار ضروری می باشد. مدل سازی انتقال جرم و نفوذ رطوبت در فیلم های خوراکی، می تواند در پیش بینی خواص فیلم و محصول بسته بندی شده در طول مدت نگهداری موثر باشد. به طور مثال می توان پیش بینی کرد که در دما، رطوبت نسبی و زمان مشخص، بسته بندی چه مقدار رطوبت جذب خواهد کرد و چه مقدار از آن به ماده ی بسته بندی شده منتقل خواهد شد. در این تحقیق، میزان جذب رطوبت و نفوذپذیری نسبت به بخار آب، در نانوکامپوزیت های نشاسته-mmt/ncc بررسی شد. سینیتیک جذب رطوبت نمونه های نانوکامپوزیت، در دمایc ° 23 و رطوبت نسبی 75% بررسی و از قانون دوم فیک وچهار معادله ی تجربی برای پیش بینی جذب رطوبت فیلم ها در طول زمان استفاده شد. برازش داده های تجربی با این مدل ها با استفاده از نرم افزارهای محاسباتی matlab r2011a وmaple 14 انجام شد. در ادامه ی این تحقیق، تأثیر غلظت گلیسرول بر میزان نفوذپذیری نسبت به بخار آب فیلم ها، در دمای c°25 و شیب رطوبتی 99-0% (داخل و خارج ویال) بررسی شد. داده های تجربی نفوذپذیری نسبت به بخارآب، با یک رابطه ی نمایی برازش شدند. مهمترین نتایج حاصل از این تحقیق را می توان به صورت زیر خلاصه نمود: ? 1. قانون فیک مراحل اولیه ی جذب رطوبت را به خوبی توصیف می کند اما در مراحل نهایی جذب، رفتار پلیمر از قانون فیک منحرف می شود. ? 2. گرادیان غلظت تنها مکانیسم حاکم بر انتقال جرم نیست و عواملی مانند سست شدن پلیمر هم باید در نظر گرفته شوند. ? 3. ضریب انتشار رطوبت در فیلم های نانوکامپوزیت، با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می یابد. ? 4. انحلال پذیری بیشترین تأثیر را بر میزان نفوذپذیری نسبت به بخار آب دارد. ? تغییرات نفوذپذیری نسبت به بخار آب، به عنوان تابعی از غلظت پلاستی سایزر، از یک رابطه ی نمایی پیروی می کند.