بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، فیلم نانوزیستکامپوزیت نشاسته حاوی نرمکننده گلیسرول و چهار سطح نانوذره 0 - TiO2، 0/5، 1 و%2 وزنی نشاسته - به روش قالب-ریزی تهیه شد. بررسی ریزساختار فیلمهای نانوبیوکامپوزیتی بوسیله آزمونهای پراش پرتو ایکس - XRD - ، میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - و طیف-سنجی فروسرخ - FT-IR - انجام شد. آزمون XRD نشان داد که دو جزء ماتریس و پرکننده بهخوبی در هم پخش شدهاند. تصاویر AFM ضمن تأیید نتایج XRD، افزایش زبری سطح فیلمها در اثر افزودن TiO2 را نشان دادند. وجود پیوندهای هیدروژنی و الکترواستاتیک بین عوامل Ti2+-OH و O-H نشاسته بهترتیب با نشاندادن جابجایی پیکهای جذب از 3420Cm-1 به 3301Cm-1 و از 1461Cm-1و 1154 Cm-1 به 1447 Cm-1 و-1 1151Cm توسط طیفهای FT-IR تأیید شدند. دیاکسیدتیتانیم موجب افزایش دماهای ذوب و انتقال شیشهای در ترموگرام DSC گردید. آزمونهای خواص نوری، افزایش معنیدار - P<0.05 - روشنایی، اختلافرنگ کلی، شاخص سفیدی و کدورت و کاهش a* و b* فیلمهای PS-TiO2 را نشان دادند. میزان عبور پرتوهای UV از فیلمها نیز کاهش معنیداری یافت.
واژههای کلیدی: نشاسته ، TiO2، XRD، FT-IR و .DSC
مقدمه
با توجه به مشکلات زیستمحیطی ناشی از بکارگیری پلاستیکهای سنتزی در بستهبندی مواد غذایی، جایگزینی آنها با فیلمهای زیستتخریبپذیر ضروری بهنظر میرسد. اخیراً، استفاده از بیوپلیمرهای طبیعی مانند پروتئینها و پلیساکاریدها برای تولید اینگونه پلاستیکها توسعه یافته است. نشاسته یکی از مهمترین پلیساکاریدهایی است که بدلیل داشتن قابلیت فیلمسازی خوب و تجدیدپذیری در تولید فیلمهای زیستتخریبپذیر مورد استفاده قرار میگیرد Rhim] و NG، .[2007 برخی معایب، سبب محدویت استفاده از نشاسته برای تولید مواد بستهبندی بهصورت صنعتی شده است. یکی از جدیدترین روشهای بهبود ویژگیهای فیلمهای نشاسته، تولید فیلم نانوبیوکامپوزیتی است.
نانوبیوکامپوزیت پلیمری، هیبرید حاوی ماتریس بیوپلیمری و پرکنندههای تقویتکننده دارای ابعاد نانو بین 1-100QP میباشد. تیتانیمدیاکسید - TiO2 - مادهای خنثی، غیرسمّی و ارزان است که دارای خاصیت فتوکاتالیستی میباشد. با افزودن TiO2، مواد بستهبندی قادر به حفاظت محتویات خود در برابر فساد، میکروارگانیزمهای بیماریزا، ترکیبات بدبو و آلرژیزا خواهد بود Li] و همکاران، .[2010 نانوذره TiO2 ماهیت قطبی دارد و با ماتریسهای بیوپلیمری سازگار است. مطالعات اندکی درخصوص تأثیر TiO2 بر ساختار فیزیکوشیمیایی و خواص کاربردی نانوبیوکامپوزیتهای پروتئینهای ایزوله آبپنیر - WPI - انجام شده است.
نتایج این مطالعات پخش همگن TiO2 در ماتریس پلیمری فیلم و ایجاد پیوند بین عوامل شیمیایی آنها را نشان داده است. این نانوکامپوزیتها دارای خواص مکانیکی، بازدارندگی، جذب و انحلالپذیری بهتری نسبت به فیلم پلیمر خالص بودند. افزایش رنگ سفید، کاهش شفافیت و کاهش عبور پرتوهای نواحی مختلف UV و نور مرئی فیلم WPI در اثر افزودن TiO2 نیز گزارش شده است Zhou] و همکاران، .[2009 تاکنون مطالعه مشخص و معتبری درباره تأثیر نانوذرات TiO2 روی ساختار خواص فیزیکی، مکانیکی و کاربردی فیلم نشاسته گزارش نشده است. بر اساس مطالعات و دانستههای مؤلفان، در این پژوهش برای اولین فیلم زیستپلیمری نشاسته حاوی نانوذرات TiO2 تولید و اثر آن بر ساختار فیزیکوشیمیایی و نوری این فیلم بررسی شده است.
مواد و روشها
نشاسته و گلیسرول بهترتیب از شرکت صنایع تبدیلی الوند همدان و شرکت Merk تهیه شدند. نانوذرات TiO2 - دگوسا - P25 از شرکت Evonik Degussa GmbH خریداری گردیدند.
تهیه فیلم نانوکامپوزیتی نشاسته
4 گرم نشاسته در 80ml آب مقطر حل و در دمای 80°C به مدت 15 دقیقه حرارت داده شد. به ژل تشکیل شده، مقدار مناسبی از محلول مادر TiO2 - درصدهای مختلف 0/5 ، 1و - TiO2 %2 و آب مقطر بهملایمت اضافه گردید. 2ml گلیسرول بهعنوان پلاستیسایزر به آن اضافه شد. 23 گرم از محلول، داخل پتریدیش ریخته و بهمدت 15 ساعت در آون دمای 45° C خشک و سپس فیلم از سطح پتریدیش جدا گردید.
آزمون پراش پرتو ایکس - XRD -
برای انجام آزمون پراش پرتو X از دستگاه Siemens D5000 ساخت کشور آلمان استفاده شد. تشعشعات بازتابشی از نمونه، در محدوده 2θ =1-70 درجه جمعآوری و نمودار مربوط به شدت آنها رسم گردید.
آزمون میکروسکوپ نیروی اتمی
تصاویر در دو Scan size مختلف 10×10 و 5×5 میکرومتر تهیه شدند. متوسط زبری - Ra - و انحراف معیار پروفیل ارزیابیشده - Rq - رایجترین پارامترهای کمی برای تعیین زبری سطحی نمونه میباشند، که با استفاده از نرمافزار مربوطه به این دستگاه محاسبه شدند.
طیف سنجی فروسرخ با تبدیل فوریه - FT-IR -
برای تعیین طیف FT-IR فیلمها از روش Perez-Mateos و همکاران [2009] استفاده شد. نمونههایی از فیلم تهیه و در بین دو قرص KBr فشرده شدند. قرصهای حاوی نمونه داخل سل دستگاه قرار گرفتند. طیف فروسرخ در گستره 400-4000Cm-1 و با تفکیکپذیری 4 Cm-1 ثبت گردید.
اندازهگیری خواص حرارتی
اندازهگیری خواص حرارتی فیلمها به وسیله گرماسنج پویشی تفاضلی انجام شد. نمونهها با سرعت 10°C/min درگستره دمایی30 تا 320°C پویش و دماهای ذوب و انتقال شیشهای - Tg - تعیین شدند. Tg به عنوان نقطه میانه بین شروع و پایان تغییرات منحنی درجریان گرمایی در نظر گرفته شد.
تعیین خواص رنگی
رنگ نمونهها بهوسیله دستگاه رنگسنج Lovibond مورد ارزیابی قرار گرفت. میزان رنگ، با استفاده از پارامترهای هانتر برحسب روشنایی - L* - ، سرخی - سبزی - a* - و زردی-آبی - b* - بیان گردیدند. اختلاف رنگ کلی - - - ، اندیس زردی - YI - و اندیس سفیدی - WI - نیز محاسبه شدند.
اندازهگیری میزان عبور نور و کدورت فیلمها
میزان عبور نور از فیلمها طبق روش Sothornvit و همکاران [2009] تعیین شد. قطعهای از نمونه در سل اسپکتروفتومتر UV-Vis قرار داده و مقدار عبور نور از فیلم در دامنه 200-800 نانومتر اندازهگیری و میزان کدورت فیلمها نیز محاسبه گردید.
تحلیل آماری
آزمونهای کمی سه مرتبه تکرار و در قالب طرح کاملاً تصادفی انجام شدند. تحلیل و ارزیابی - ANOVA - با استفاده از مدل خطی - G.L.M - نرمافزار آماری SPSS16 در سطح احتمال - P 0/05 - %5 و آزمون چنددامنهای دانکن برای تأیید وجود اختلاف بین میانگینها انجام گرفت.
نتایج و بحث
آزمون پراش پرتو ایکس - XRD - پیکهای پراش شاخص فاز آناتاز - فاز اصلی - TiO2 در 2θ برابر با 48°، 38 و 25/3 قرار دارند. از آنجاییکه قسمت اعظم فیلم از نشاسته تشکیل شده است؛ منحنیهای پراش پرتو X نمونهها، الگوی مشابهی را نشان میدهند. با افزایش محتوی نانوذره در ماتریس پلیمری از 0/5-2%، پیکها در 2θ=25/3° بطور نامحسوسی واضحتر میشوند. بهمنظور تخمین اندازه متوسط بلورها از رابطه شرر - - 0.9 / FRV استفاده شد. اندازه متوسط بلورهای TiO2 در فیلمهای نشاسته حاوی 0/5، 1% نانوذره، بهترتیب 42 nm و 93 nm بود. با افزایش محتوی TiO2، اندازه کریستالها افزایش یافته و در فیلم حاوی TiO2 2% به 148 nm رسید. افزایش اندازه نانوذرات در فیلمهای PS-TiO2 به تودهای شدن آنها نسبت داده میشود Zhou] و همکاران، Li .[2009 و همکاران [2010] دلیل بروز این رفتار TiO2را اینگونه بیان نمودند که، نانوذرات مجزا از هم TiO2، بهعلت داشتن سطح متخلخل شکسته شده دارای الگوی پراش پرتو X آمورف میباشند، اما توده شدن نانوذرات باعث ایجاد الگوی پراش پرتو X دارای پیکهای تیزتر میگردد.
آزمون میکروسکوپ نیروی اتمی
جدول 1 مقادیر پارامترهای متوسط زبری - Ra - و انحراف معیار پروفیل ارزیابی شده - Rq - فیلمهای PS و PS-TiO2 در تمام ابعاد پویشی را نشان می-دهد. مشاهده میشود که، بهدلیل تشکیل پیوند بین ملکولهای PS و TiO2، نانوذرات TiO2 در سطح فیلم قرار گرفتهاند. درنتیجه مقادیر Ra و Rq افزایش و یکنواختی سطح نانوبیوکامپوزیت کاهش مییابد. در فیلم PS اغلب نقاط ارتفاعی در حدود 100-150 nm دارند در حالیکه در فیلم نانوبکامپوزیتی PS-TiO2 این ارتفاع به 250-300 nm افزایش مییابد.
