بخشی از مقاله
چکیده:
با وجود آنکه پلاستیکها نقش عمدهای در صنعت بستهبندی به ویژه بستهبندی مواد غذایی ایفا میکنند، اما کاربردشان به دلیل عدم امکان بازگشت به چرخه محی زیست با مقاومتهای بینالمللی روبرو شده است. بنابراین استفاده از کامپوزیت های طبیعی با قابلیت زیست تخریب-پذیری، میتواند راه حلی مطلوب برای حل این چالش باشد. بدین منظور، از کاه گندم به عنوان یک ماده طبیعی تجدید پذیر و دو افزودنی مالئیک انیدرید پلیاتیلن و پلی اتیلن گلیکول در ساخت کامپوزیتی با هدف کاهش سهم مواد پلاستیکی در صنعت بستهبندی استفاده شد و تاثیر اندازه ذرات مختلف آن بر سرعت تخریب پذیری کامپوزیت کاه گندم-1پلیاتیلن سبک 2 - LDPE - بررسی گردید. نتایج نشان داد که میزان تخریب پذیری نمونه ها با گذشت زمان افزایش می یابد و سرعت تخریبپذیری نمونه با اندازه مش 140 در مدت 120 روز نسبت به سایر نمونهها بیشتر می باشد.
واژگان کلیدی: اندازه ذرات، بسته بندی مواد غذایی، تخریب پذیری، ،کامپوزیت
مقدمه
درصنعت غذا، بستهبندی یکی از عوامل موثر در حفظ کیفیت و ایمنی غذا میباشد، با توجه به رشد روزافزون جمعیت امروزی، حفظ و نگهداری تولیدات غذایی و بالا بردن طول عمر آنها از مهمترین چالشهای پیش روی ما است . - Siracusa et al, 2008 - درکشور ما همه ساله مقدار قابل توجهی مواد پلاستیکی از جمله ظروف یکبار مصرف تولید میشود. گرچه بستهبندی پلاستیکی با قیمتی نازل امکان حفاظت عالی ازمحصولات مختلف خصوصاً مواد غذایی را فراهم می کند ولی عموماً این مواد به دلیل عدم امکان تجزیه سریع توس میکروارگانیسم ها، موجب بروز مشکلات زیست محیطی میشوند. یک روش غلبه بر آلودگیهای پلاستیک ها استفاده از پلیمرهای بر پایه طبیعی که از منابع تجدید پذیر مشتق شدهاند میباشد که منجر به توسعه مواد سبز یا کامپوزیت زیستی میشود که به آسانی تخریب میشوند یا به صورت طبیعی جذب شوند - یحیوی و خزاعیان ، 1391، . - Cerpakovska et al, 2009
تحقیقات زیادی در ارتباط با کامپوزیتهای طبیعی انجام شده است که در اینجا مطالعات مربوط به تخریب پذیری کامپوزیتها بیان میشود:
در سال 2000، Petnamsin و همکاران تاثیر کاهش اندازه ذرات گرانولهای نشاسته کاساوا را بر ویژگیهای مکانیکی و تخریب پذیری مخلوط نشاسته کاساوا/پلیکاپرولاکتون بررسی کردند ، نتایج نشان داد که کاهش اندازه ذرات تاثیری در بهبود ویژگیهای مکانیکی نداشت اما سبب بهبود ویژگیهای زیست تخریب پذیری آن شد.در سال 2003، Singh و همکاران تخریب پذیری کامپوزیتهای نشاسته / پلی - اپسیلون- کاپرولاکتون - - PCL - را مورد بررسی قرار دادند و از سازگارکنندههای پلی - اپسیلون- کاپرولاکتون - متصل شده به دکستران و پلی - اپسیلون- کاپرولاکتون - متصل شده به ذرات نشاسته استفاده کردند، نتایج نشان داد که سرعت تخریب پذیری با کاهش کشش سطحی بین نشاسته و پلیمر افزایش مییابد ومیزان نشاسته تاثیر چندانی در تخریبپذیری ندارد و تاثیر سازگارکنندهها بیشتر است.
در سال 2006، Wang , Lee تاثیر لیزین بر پایه ایزوسیونات - LDI - به عنوان سازگار کننده را بر ویژگیهای تخریب پذیری کامپوزیت بامبو/ پلیلاکتیک اسید و پلی بوتیلن سوکسینات بررسی کردند، نتایج نشان داد که افزودن LDI سبب تاخیر در تخریب پذیری کامپوزیت میشود.در سال 2009، تاجالدین و همکاران کامپوزیتهای طبیعی پلی اتیلن- سلولز را تهیه کردند و تخریب پذیری آنها را زیر خاک مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که سرعت تخریب این کامپوزیتها به مقدار سلولز به کار رفته دارد و هرچه مقدار بیشتری سلولز به کار رود تخریب پذیری این کامپوزیتها بیشترخواهد بود و همچنین کامپوزیتهای ساخته شده با PEG بسیار بهتر از کامپوزیتهای بدون PEG میباشند که بعلت بهبود Wetting توس پلاستی سایزر در ماتریکس پلیمر میباشد.در سال 2011، Azhari وهمکاران رفتار زیست تخریب پذیری مخلوط نشاسته ذرت/ پلیوینیل الکل را در محی آبی و خاک مورد بررسی قرار دادند، نتایج نشان داد که با افزایش میزان نشاسته ، میزان زیست تخریب پذیری کامپوزیت افزایش مییابد
.در سال 2012، Obasi ویژگیهای مکانیکی و زیست تخریب پذیری کامپوزیت آرد چوب ذرت/ پلی اتیلن سنگین را با استفاده از MAPE به عنوان سازگارکننده مورد بررسی قرار داد، نتایج نشان داد که MAPE سبب بهبود ویژگیهای مکانیکی و کاهش سرعت زیست تخریب پذیری میشود.اگر چه جایگزینی کامل مواد مصنوعی با بسته بندیهای سازگار با محی زیست غیرممکن است اما جهت کاربردهای خاص مثل بسته بندی مواد غذایی به منظور حفاظت از محی زیست و حفظ کیفیت ماده غذایی ، میتوان به خوبی از مواد کشاورزی زیست تخریب پذیر استفاده کرد. - Siracusa et al, 2008 - کاه گندم از محصولات جانبی کشاورزی است که در کامپوزیت های پلیمری استفاده میشود، سالانه در سراسر جهان مقادیر استفاده نشده از آن تولید میشود ، مقدار متوس تولید سالانه کاه گندم در ایران 18 میلیون تن میباشد.
در ایران بخش اصلی کاه و کلش به عنوان خوراک دام مورد استفاده قرار میگیرد. به علاوه تمرکز کاه گندم در برخی از مناطق کشور بیش از نیاز خوراک دام بوده و عملاّ بلا استفاده میماند بطوریکه شاهد پوسیده شدن و از بین رفتن آن هستیم - مرادیان و همکاران1382، وزارت جهاد کشاورزی. - 1389-1390عوامل زیادی شامل خواص پرکننده - خواص ذاتی، اندازه و شکل - ، بر ویژگیهای کامپوزیت ها موثرند یکی از مهمترین آنها اندازه ذرات فیلر است که تغییر آن سبب بهبود فرآیند پذیری و انعطاف پذیری کامپوزیت و بهبود استحکام ضربه وکشش آن میشود - Stark,1997;. - Xanthos,2010بنابراین در این پروژه، کاه گندم با اندازههای مختلف ذرات و پلی اتیلن سبک با هم مخلوط شده و ترکیب جدیدی از کامپوزیتهای طبیعی برای بسته بندی مواد غذایی ارائه داده شد و تاثیر آن بر تخریب پذیری کامپوزیت مورد نظر مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روشها
مواد: پلیاتیلن سبک از مجتمع پتروشیمی بندر امام خمینی با وزن مخصوص0/92 g/cm3 و شاخص جریان مذاب 2g/10 min به صورت گرانول تهیه گردید و به عنوان فاز پیوسته پلیمری به کار گرفته شد.کاه گندم رقم پیشتاز به عنوان پرکننده آلی مورد استفاده قرار گرفت. افزودنیهای مالئیک انیدرید پلی اتیلن - MAPE - به صورت گرانول و پلیاتیلن گلیکول - PEG - به صورت مایع با وزن مولکولی1000 به عنوان سازگارکننده کامپوزیت استفاده شدند.
روشها: در ابتدا الیاف کاه گندم در یک خشککن صحرایی با دمای 30œc به مدت 24 ساعت خشک شد. سپس الیاف به صورت دستی به قطعات 2-3cm خرد و در مرحله بعد توس آسیاب پرهای مدل Retschmuhle به آرد تبدیل گردید، آرد حاصله توس االک ارتعاشی با 3اندازه مش 40، 100 و140 الک شد . - Sardashti,2009 -
آماده سازی ترکیبات اولیه
نمونه ها از اختلاط 40 کاه گندم - WS - با سه اندازه مش 40 - ، 100 ، - 140 و 60 پلی اتیلن سبک و افزودنی MAPE و PEG به میزان 10 پلیاتیلن تهیه شدند و ترکیب حاوی 100 پلی اتیلن به عنوان نمونه شاهد در نظر گرفته شد.ابتدا مواد به صورت فیزیکی کاملاً مخلوط شده، به این ترتیب که 3 نمونه ، شامل کاه گندم، پلی اتیلن و MAPE و 3 نمونه شامل کاه گندم، پلیاتیلن و PEG و یک نمونه شاهد آماده سازی شد - . - Sardashti,2009
تهیه کامپوزیت
مواد اولیه با استفاده از اکسترودردو پیچه ناهمسو، اکسترود شدند سپس رشته خروجی توس آسیاب خرد شده و به شکل گرانول در آمد و در نهایت این گرانولها به دستگاه تزریق منتقل شدند تا کامپوزیت های مورد نظر حاصل شود.
آزمون تخریب پذیری در خاک
این آزمون براساس استاندارد ASTM D 6400-99 در یک کرت با دیواره های بتنی انجام شد، از هریک از نمونههای باقیمانده از ورق کامپوزیت در ابعاد مشخص جدا شد و روی آنها مشخصاتشان نوشته و توس ترازوی دیجیتال با دقت 0/0000 1 گرم وزن شدند و در فواصل منظم و به صورت کاملاً تصادفی در عمق 15-25 cm از سطح خاک قرار گرفتند سپس هر 30 روز یکبار به مدت 4 ماه ،از خاک خارج شدند و توس آب شسته و به مدت 24 ساعت در آون با دمای100-105 C قرار گرفتند سپس با ترازوی الکتریکی با دقت 0/00001g وزن شدند ، میزان تخریب پذیری بوسیله کنترل تغییرات وزن تابعی از زمان دفن از طریق رابطه - 1 - محاسبه شد.
نتایج و بحث
همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود در تمام مدت آزمون، نمونه شاهد هیچگونه تخریبی را نشان نداد و نمونههایی که حاوی کاه گندم با اندازه ذرات ریزتر بودند سرعت تخریب پذیری بیشتری داشتند به طوریکه نمونه با اندازه مش 140 بیشترین میزان تخریبپذیری را نشان داد. کاهش اندازه ذرات، سطح مخصوصی که در معرض واکنش قرار میگیرد را افزایش میدهد، هر چه سطح کامپوزیت بیشتر باشد نسبت به سایر کامپوزیتها با سایر فاکتورهای مشابه سریعتر تخریب میشود به علت اینکه قسمت بزرگتری از آن در تماس با رطوبت و میکروارگانیسم است - Gaurav et al , 2007 - ، همانطور که در شکل مشاهده میگردد نمونه های حاوی MAPE با سرعت کمتری نسبت به نمونه حاوی PEG تخریب میشوند که به علت بهبود چسبندگی سطحی الیاف و ماتریس توس MAPE میباشد، و علت تخریب بیشتر نمونه های حاوی PEG این است که در حضور PEG جذب آب کامپوزیت های طبیعی افزایش مییابد و تجمع آب در حفرات کامپوزیت سبب افزایش زیست تخریب پذیری آنها میشود، به طور کلی نمونههای حاوی PEG با اندازه ذرات کوچکتر، میزان تخریب بیشتری را نشان دادند.
