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

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.