بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی نانوکامپوزیتهای زیست تخریب پذیر و تعیین ترتیب خوراک بهینه جهت دستیابی به خواص مطلوب پرداخته می شود. ابتدا نشاسته در یک مرحله درون مخلوط کن داخلی با استفاده از نرم کنندههای آب، اسید استیک و گلیسرول به نشاسته ی ترموپلاستیک - TPS - تبدیل شد و در ادامه نانو کامپوزیتهای زیست تخریب پذیر بر پایهی نشاستهی ترموپلاستیک و پل اتیلن با چهار ترتیب خوراک دهی مختلف در یک مخلوط کن داخلی تهیه شدند.
آنالیزهای XRD، پایداری حرارتی - با استفاده از - TGA و SEM برای تعیین مناسب ترین ترتیب خوراک دهی جهت رسیدن به خواص مطلوب انجام شدند. مشخص شد که درصورتیکه ابتدا نانو کلی را با پلی اتیلن مالئیکه - PE-g-MA - ترکیب کرده و ترکیب حاصل در مرحلهی دوم با پلی اتیلن و نشاستهی ترموپلاستیک ترکیب شود لایه های نانو سیلیکات کلویزیت 15A بیشترین فاصله را از یکدیگر خواهند داشت و این منجر به بالاترین خواص مکانیکی و حرارتی در نانوکامپوزیت خواهد شد.
همچنین مشاهده شد که با افزایش نسبت پلی اتیلن مالئیکه به نانو کلی، فاصلهی بین لایه های نانو کلی از یکدیگر بیشتر می شود اما از طرف دیگر پایداری حرارتی نانو کامپوزیت کاهش می یابد که ما این را به حضور گروه مالئیک انیدرید و تخریب آن نسبت میدهیم و احتمال می دهیم که تخریب این گروه، تخریب نانوکامپوزیت را تسریع میکند. امیدواریم که نتایج این پژوهش در تهیهی هر چه بهتر پلاستیک ها و فیلمهای بسته بندی زیست تخریب پذیر مفید واقع شود.
-1 مقدمه:
مواد پلاستیکی تولید شده در پتروشیمی به دلیل خواص مناسب فرآیندی و نهایی و همچنین قیمت اقتصادی آنها به وفور در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از ویژگی های این مواد مقاومت آنها در محیط زیست و ماندگاری طولانی مدت آنها در طبیعت می باشد. این مسئله موجب شده است که هر ساله انباشتگی این مواد در طبیعت رو به افزایش بوده و مسائل اکولوژی مهمی در پی دارد. و سازمان های قانون گذار را بر آن داشته تا با وضع قوانین مناسب به بهبود چنین وضعیتی گام بردارند.
از جمله در ایران مدیرکل دفتر آب و خاک سازمان حفاظت محیط زیست اعلام کرده است که تمام صنایع تا 3 سال آینده ملزم به تولید پلاستیک های تجزیه پذیر میشوند. همچنین استاندارد ملی این پلاستیک ها در سال 1391 نهایی شده است. - سایت خبرگذاری دانشجویان ایران، ایسنا، - 1392 در حال حاضر راه حل مرسوم مقابله با این مسئله سوزاندن می باشد که گازهای سمی از آن حاصل می شود.
از طرف دیگر سنتز و بکارگیری پلیمرهای زیست تخریب پذیر امری مشکل و هزینه بر می باشد. همچنین محصولات بازیافت این پلیمرها خواص ضعیفی دارند. یک راه جایگزین استفاده از افزودنی های زیست سازگار کننده به پلیمرهای تولید شده از پتروشیمی می باشد. نشاسته یک پلیمر طبیعی زیست سازگار، ارزان و غیر سمی می باشد که گزینه بسیار مناسبی برای این منظور می باشد. تاکنون تحقیقات بسیاری بر روی تهیه ی آلیاژهای نشاسته و پلیمرهای سنتزی از جمله پلی اتیلن صورت گرفته است.
در مورد آلیاژ کردن پلی اتیلن و نشاسته در صورتیکه این دو ماده را با یکدیگر مخلوط کرد مشکلات عدیده ای وجود دارد که مانع از دستیابی به یک آلیاژ با خواص مناسب می گردد: به دلیل پیوند هیدروژنی مولکولهای نشاسته، نشاسته به خوبی در پلی اتیلن پراکنش و توزیع نمی گردد. و شاهد تجمع نشاسته خواهیم بود.
به دلیل ماهیت قطبی نشاسته و غیر قطبی پلی اتیلن، تنش سطحی بین دو جزء بالا می باشد و دو جزء امتزاج ناپذیر خواهیم داشت. که این نیز مانع از نفوذ و آلیاژ سازی می شود. - Taguet, Huneault, & Favis, 2009 - مسئله دیگری که در برابر نفوذ مولکولهای پلی اتیلن به درون نشاسته وجود دارد قابلیت تبلور بالای نشاسته می باشد و اینکه حتی پس از شکستن بلورهای نشاسته تمایل به تبلور مجدد در نشاسته وجود دارد. - Ning, Jiugao, Xiaofei, & Ying, 2007 - مشکﻻت ذکر شده باعث می شود که خواص آلیاژ نشاسته-پلی اتیلن بسیار ضعیف باشد.
محققان سعی کرده اند با تکنیکهای آلیاژ سازی مختلف بر این مشکلات فایق آیند. و آلیاژ مناسبی را تهیه کنند. تکنیکهایی که در تحقیقات گوناگون به آن اشاره شده عبارتند از: نرم کردن نشاسته و تهیه نشاسته ترموپلاستیک ؛ اصلاح شیمیایی نشاسته و کاهش آبدوستی آن ؛ طراحی یک فرآیند تک مرحله ای به گونه ای که نشاسته و پلی ایتلن در حالت مذاب مخلوط شوند استفاده از سازگار کننده ها ؛ بکار گیری اسید در نرم کردن نشاسته اخیراً بکار گیری نانو کلی نیز در بهبود خواص این آلیاژ و تهیه یک نانوکامپوزیت بر پایه نشاسته- پلی اتیلن پیشنهاد شده است.
نرم کردن و ژلاتینه کردن نشاسته بدینصورت می باشد که نشاسته توسط نرم کننده هایی مانند آب، گلیسرول، گلیسرین و ... مخلوط می شود و با حرارت دادن مخلوط حاصل و تبخیر آب، ژلاتینه شدن رخ داده و نشاسته ترموپلاستیک حاصل می شود.
استفاده از اسید در تهیه نشاسته ترمو پﻻستیک موجب جلوگیری از تبلور مجدد نشاسته می شود. - Ning, et al., 2007 - سازگار کننده ها با کاهش تنش بین سطحی به پراکنش و همچنین توزیع بهتر نشاسته در پلی اتیلن کمک می کند.
نانو مواد با ورودشان به دنیای پلیمرها به دلیل سطح تماس زیادشان با پلیمر موجب ایجاد تحول در بهبود خواص مکانیکی، حرارتی، ضد آتش، پوششی و ... شدهانداخیراً. ثابت شده است که آلیاژهای پلی اتیلن -نشاسته زیست تخریب پذیر می باشند و تخریب آنزیمی فاز نشاسته موجب تخریب زیستی فاز پلی اتیلن به مدت سال می شود.
در این تحقیق نحوه تأثیر ترتیب خوراک دهی اجزای نانو کامپوزیت بر خواص نانو کامپوزیت نشاسته- پلی اتیلن- نانو کلی بررسی می شود. سعی بر آن است که تأثیر مواد گوناگون بر باز شدن لایه های نانو کلی و همچنین خواص مکانیکی و حرارتی بررسی شود.
Chiu و همکارانش نانو کلی را با پلی اتیلن مالئیکه مخلوط کرده نانو سازگار کننده تهیه کردند. نشاسته را نیز در مرحله جداگانه ای نرم کرده و نشاسته ترمو پلاستیک را تهیه کردند. در نهایت سه ماده پلی اتیلن، نانو سازگار کننده و نشاسته ترموپلاستیک را در یک مرحله نهایی مخلوط کردند. آنها مشاهده کردند که خواص مکانیکی نانو کامپوزیت از آلیاژ پلی اتیلن- نشاسته - به جای نانو سازگار کننده از سازگار کننده پلی اتیلن مالئیکه استفاده شده باشد - بالاتر است . آنها همچنین مشاهده کردند که افزودن نانو کلی موجب می شود که در تست TGA افت وزن مربوط به جزء پلی اتیلن در دمای بالاتری صورت بگیرد در صورتیکه افت وزن مربوط به نشاسته ترموپلاستیک نسبت به آلیاژ بدون نانو بدون تغییر باقی ماند.
آنها از این مشاهده نتیجه گرفتند که نانو کلی به داخل جزء نشاسته نفوذ نکرده است. - Chiu, et al., 2009 - احتمال این می رود که عدم نفوذ نانو کلی به نشاسته به دلیل سازگاری بهتر پلی اتیلن مالئیکه در نانو سازگار کننده با پلی اتیلن باشد. از اینرو ما تصمیم گرفتیم که حالت های مختلف ترتیب خوراک دهی را آزمایش کنیم تا مورفولوژیهای حاصل از این ترتیبهای خوراک دهی و خواص نانو کامپوزیتهای حاصل را بررسی کنیم.
-2 مواد و روش ها
-1-2 مواد
پلی اتیلن - LDPE - گرید فیلم با نام تجاری LDPE 0200 از پتروشیمی بندر امام شرکت بسپاران تهیه شد. شاخص جریان مذاب آن - gr/10 min - 190oC/2.16kg 2.2-1.8می باشد. نشاسته ذرت از شرکت گلوکوزان تهیه شد. نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین در این نشاسته 25 به 75 می باشد. گلیسرول و اسید استیک از شرکت دکتر مجللی تهیه شد. که به ترتیب حاوی 0.02% و 0.005% آب بودند. آب مقطر در آزمایشگاه موجود بود و مورد استفاده قرار گرفت. نانو کلی - cloisite 15A - از southern clay آمریکا تهیه شد. نانو کلی و نشاسته به مدت هشت ساعت در دمای 80oC در یک آون خلأ خشک شدند تا از عدم وجود رطوبت در این مواد اطمینان حاصل شود. پلی اتیلن مالئیکه 1.5% - مالئیک انیدرید - نیز از شرکت کیمیا بسپار اصفهان تهیه شد.
