مقاله فرمولاسیون فیلمهای نانوکامپوزیتی بر پایه پلی اتیلن حاوی نانوذرات دی اکسید تیتانیم به روش اکسترودر مخلوط مذاب

بخشی از مقاله

چکیده

استفاده از تکنولوژي روز دنیا و علوم نانو در صنایع غذایی، تولید، فرآوري و حفظ و نگه داري محصولات رو به گسترش است. کاربرد نانو ذرات در پوشش هاي فرآورده هاي غذایی گوناگون میتواند گامی موثر در جهت کاهش ضایعات و افزایش عمر انباري محصولات گوناگون باشد. در این پژوهش تولید و ارزیابی فیلمهاي نانوکامپوزیتی بر پایه پلی اتیلن حاوي 0/5، 1 و 2 درصد نانوذرات تیتانیم دي اکساید با استفاده از آمیزه سازي در اکسترودر دومارپیچه با آرایش مارپیچ ویژه انجام، فیلم مربوطه از طریق دستگاه فیلم دمشی تولید و ارزیابی شد.

درصد ترکیب نانو ذره استفاده شده و شرایط فرآیندي بر خواص فیزیکی و عملکرد فیلم تولیدي بررسی و در نهایت فرمولاسیون تولید محصول اولیه ارزیابی شد. بر اساس نتایج بدست آمده از آزمون MAP و EDS وجود نانوذره و نحوه ي پراکنش آن در فیلم تولید شده را نشان داد. نتایج آزمون FTIR فیلم حاوي نانو ذره مربوطه وجود شولدر در نمودار مربوطه در طول موج 500 تا 700 نانو متر را نشان داد که با پیک نانو ذره مربوطه داراي انطباق است و نشان میدهد نانو ذره توانسته در بافت پوشش قرار گیرد.

تست SEM پراکندگی مناسب نانو ذره در پوشش پلیمر را نشان داد که این پراکندگی مناسب و وجود ذرات با سایز نانو می تواند بر سایر خصوصیات پوشش تاثیر مثبت داشته باشد . تست خواص میکروبی و آنتی باکتریال پوشش کاهش شمار باکتري ها در تیمار پوشش حاوي 1 درصد نانوذره - cfu =350 - با کاهش 88,3 درصدي شمار کل باکتري ها نسبت به تیمار شاهد را نشان داد . بر اساس نتایج فیلم تولیدي از خصوصیات شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی و ضد میکروبی قابل قبولی برخوردار است و در افزایش ماندگاري فرآورده هاي کشاورزي قابل ارزیابی است.

.1 مقدمه

فن آوري نانو به تمام فن آوري هاي پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو یعنی ذرات با ابعاد 1 تا 100 نانومتر اطلاق می شود، در تعریفی مشابه کمیته ملی نانو آمریکا 1 این فن آوري را بررسی و مطالعه ذرات در مقیاس یک تا 100 نانومتر تعریف نموده است. از فناوري بعنوان نانو موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده اي عظیم یاد شده است که در تمامی گرایشهاي علمی راه یافته و از فناوریهاي نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه میباشد. نانوفناوري یک دانش میانرشته اي است و به رشتههایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازي و طراحی دارو، دامپزشکی، زیستشناسی، فیزیک کاربردي، ابزارهاي نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز ارتباط دارد.

تحلیل گران بر این باورند که فناوري نانو - Nanotechnology - ، زیست فناوري - Biotechnology - و فناوري اطلاعات - IT - سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل میدهند. استفاده از علوم نانو در علوم کشاورزي و صنایع غذایی، با هدف افزایش قابلیت حفظ و نگهداري محصولات به شدت رو به گسترش است و گسترهي وسیعی از مطالعات در این زمینه انجام شده است . بر طبق آمار و اطلاعات موجود در حال حاضر بیش از 300 فرآورده غذایی نانو با گردش مالی بیش از 30 بیلیون دلار آمریکا در نیمی از بازارهاي دنیا مبادله میشوند که اهمیت این دانش و فرآورده هاي میتنی بر فنآوري نانو را آشکار میکند

بسته بندي مواد غذایی با هدف افزایش ماندگاري از عمدهترین کاربردهاي فناوري نانو در مبحث فرآورده هاي مختلف کشاورزي و علوم صنایع غذایی است. کلید دستیابی به پیشرفتهاي آینده در علوم کشاورزي بستهبنديهاي قابل انعطاف، فعال، هوشمند و نانوکامپوزیتهاي پلیمري هستند که مورد توجه بسیاري از محققین قرار گرفته اند. نانوذرات در نانوکامپوزیتهاي پلیمري سطح ویژه بالایی نسبت به ذرات در اندازه میکرو دارند.

همین سطح ویژه بالا موجب بهبود برهمکنش بین پلیمر و نانو ذرات میشود و خصوصیاتی بروز می کند که از همان ذرات در مقیاس میکرو قابل دریافت نیست، بنابراین دستیابی به ویژگیهاي خاص و مناسب این ذرات را ممکن میسازد. از جمله نانوذرات مورد استفاده در بستهبندي مواد غذایی میتوان به نانورس، نانونقره، نانوذرات دي اکسید تیتانیم، اکسید روي و... اشاره کرد.

Jun et al - 2007 - و Mohammad et al - 2009 - در مطالعات خود بر روي خواص ضد باکتریایی نانو ذرات نقره، خواص ضد باکتریایی این نانوذرات را اثبات نمودند. در مطالعات دیگر خصوصیات مشابه براي نانو ذرات اکسید روي و دي اکسیدتیتانیم نیز گزارش شده است. در مطالعات انجام شده بر روي کاربرد نانو ذرات در کامپوزیت ها بر خواص مکانیکی و ضد باکتریایی بسیار قوي نانوکامپوزیتها در صنایع بستهبندي غذایی و فیلمهاي خوراکی تأکید شده است

نتایج این محققین در مورد کاربرد نانوذرات در پوشش هاي پلیمري نشان داد این ترکیبات می توانند خصوصیات ضد باکتریایی قوي اعمال نمایند و فساد فرآورده را به تاخیر انداخته و طول عمر فرآورده غذایی را به میزان قابل قبولی افزایش دهند 

نتایج بررسی استفاده از نانو ذرات دي اکسید تیتانیم در پوششهاي پلی اتیلن و پلی پروپیلن نشان داد این نانو ذره علاوه بر کاهش اکسیداسیون محتوي بسته میتواند در کاهش سیلکل بازیابی پلیاتیلن و پلی پروپیلن در طبیعت موثر باشد و در بهبود خواص زیست تخریب پذیري این پوشش ها اثرات کارآمدي اعمال نماید

این مطالعه با هدف فرمولاسیون و ساخت پوشش پلی اتیلن حاوي نانو ذرات تیتانیم دي اکساید به منظور کاربرد نهایی در جهت افزایش ماندگاري فرآورده هاي کشاورزي با تاکید بر فرآوردههاي شیلاتی و میوه ها انجام شد.

.2 مواد و روشها

براي ساخت پوشش پلیمري حاوي نانوذرات از دستگاههاي اکسترودر دو مارپیچی همسوگرد - برابندر آلمانی، - 2002، با نسبت L/D=40 و L=80 و دماي 160 تا 190 با سرعت 80 دور در دقیقه، همچنین دستگاه اکسترودر تک مارپیچی همسوگرد - برابندر آلمانی، - 2002، با نسبت L/D=26 و L=52 و دماي 160 تا 190 با سرعت 45 دور در دقیقه، همچنین دستگاه فیلم دمشی با قطر خروجی 2 سانتی متر و سرعت غلتک M/minute =100 استفاده شد. ماده ي پلی اتیلن پایه براي ساخت پوشش مربوطه ماده ي پلی اتیلن نوع - LDPE - - Low density polyethylene - ساخت صنایع ملی پتروشیمی ایران استفاده شد.

جهت ساخت پوشش پلی اتیلن حاوي غلظت هاي /5 .، 1 و 2درصد حاوي نانو ذرات تیتانیم دي اکساید براي تیمار ./5 میزان 2/5 گرم نانو ذره با 497/5 گرانول پلی اتیلن و جهت تیمار 1 درصد میزان 5 گرم نانو ذره با 495 گرانول پلی اتیلن و در نهایت براي تیمار 2 درصد میزان 10 گرم نانو ذره با 490 گرانول پلی اتیلن توزین و به صورت مکانیکی مخلوط شدند . مخلوط مورد نظر در ابتدا به اکسترودر دومارپیچ تزریق شد. نوار حاصله پس از عبور از آب سرد وارد اکسترودر تک مارپیچ و گرانول هاي حاوي پلی اتیلن تولید شد. در انتهاي فرآیند با استفاده از دستگاه فیلم دمشی فیلم نانوکمپوزیت حاوي نانوذرات تیتانیم دي اکساید تولید شد.

آزمایشهاي انجام شده جهت آنالیز مواد و مشخصات نمونه

1-2 اسپکتروکوپی - Fourier Transform Infrared spectrometry - FT-IR

اسپکتروکپی فیلم نانوکامپوزیتی سنتز شده در مرکز انرژي اتمی تفت با استفاده از دستگاه براکر اپتیکس - Tensor 27, Germany - با استفاده از دیسکهاي KBr انجام گرفت و نتایج حاصله تحلیل شد . براي انجام این تست برش هایی از نمونهي فیلم هاي پلیمري حاوي نانو ذرات به اندازهي یک سانتی متر مربع آماده و نتایج طیف حاصله بصورت نمودار درصد مواد قرار گرفته و طول موج مربوطه ارائه گردید. این روش جهت شناسایی پیوندها و ساختار شیمیایی نمونهها، همچنین شناسایی پیوند هاي سطحی در نمونه مورد بررسی استفاده شد. در این روش نور به سطح نمونه تابیده میشود و درصد عبور نور و یا جذب نور توسط دستگاه اندازه گیري می شود و از طریق مراجع موجود نوع پیوندها و ساختار ماده تعیین شد.

2-2 میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM2 -

به منظور بررسی توزیع و پراکندگی نانوذرات دي اکسید تیتانیم در ریزساختار فیلمهاي تولیدي از میکروسکوپ الکترونی روبشی Philips ProX، ساخت کشور هلند، استفاده شد. بدین منظور ابتدا نمونههایی به ابعاد 1 cm × 1 cm از فیلم ها بریده شد و به کمک چسب گرافیتی بر روي پایه آلومینیومی چسبانده شد. تصویر برداري از نمونه ها در ولتاژ کاري 10 کیلو الکترون ولت و در بزرگنمائی هاي مختلف انجام گرفت.

3-2 آزمون تفکیک انرژي - EDS -

به منظور تأیید قرار گرفتن نانوذرات دي اکسید تیتانیم در داخل زمینه پلیمر مربوطه و نیز پی بردن به نحوه توزیع و پراکندگی نانوذرات در زمینه پلیمري و عدم آلوده شدن پلیمر به ناخالصیها و آلودگیهاي احتمالی از طیف سنجی تفکیک انرژي - EDS - که به صورت نقطهاي - Spot analysis - ، ناحیهاي - Region analysis - و نقشه توزیع عنصري - Elemental mapping - انجام شد، استفاده گردید. تمامی این آنالیزها توسط میکروسکوپ یاد شده صورت گرفت.

4-2 تست شفافیت با استفاده از عبور طیف نوري - UV -

این تست بر مبناي میزان جذب و عبور نور UV از نمونه هاي مورد بررسی انجام و نتایج مربوطه گزارش شد.

5-2 میکروسکوپ نیروي اتمی - AFM -

براي تهیه تصاویر سه بعدي با استفاده از AFM از سطح نمونههاي مورد نظر در حالت تماسی و با نیروي مرجع 10 nN تصویربرداري صورت گرفت. این روش از مهمترین روشهاي ارزیابی و اندازه گیري خواص سطحی است که تصویري سه بعدي از سطح ارائه میدهد.

6-2 طیف سنجی با استفاده از - - AFM

یکی از موارد بسیار مهم که توسط میکروسکوپ نیروي اتمی قابل اندازهگیري است، میزان استحکام و چسبندگی مولکولهاي آب جذب شده بر روي مواد مختلف و نیز اطلاع از استحکام پیوند بین اتمها و مولکولهاي سازنده ساختار ماده است. در این راستا از حالت طیف سنجی این میکروسکوپها بهره برده می شود. در این حالت عمل حرکت بر روي سطح - Scanning - متوقف شده و در یک نقطه مشخص سوزن میکروسکوپ از فاصله معینی دور از سطح به تدریج با نرخ مشخص به سطح نزدیک شده و به طور همزمان میزان خیز سوزن در حالت تماسی، میزان تغییرات دامنه، فرکانس یا فاز سوزن نوسانگر در حالت غیر تماسی اندازهگیري میشود. در نهایت با استفاده نمودارهاي حاصل شده که به صورت تغییرات خیز بر حسب فاصله و یا انواع دیگر است، اطلاعاتی درباره میزان استحکام مکانیکی نمونه و چسبندگی مولکولهاي آب به سطح نمونه بدست میآید. در این تحقیق از طیف سنجی میزان خیز بر حسب فاصله بدین منظور استفاده شد.

7-2 خصوصیات ضد میکروبی فیلم هاي نانوکمپوزیتی

بررسی خواص آنتی باکتریال فیلم هاي نانوکمپوزیتی حاوي سطوح مختلف 0,5، 1 و 2 درصد نانوذرات در چهار دورهي زمانی 0 روز ، 3روز ، 6 روز و 10 روز مورد بررسی قرار گرفت. شمارش کلی میکروبی بر اساس استاندارد ملی ایران شماره ي 5272 انجام شد. نتایج حاصل به تفکیک شمارش کلی میکروبی ثبت گردید . بر اساس نتایج به دست آمده، منحنی هاي مربوط به روند تغییرات میکروبی در حضور درصدهاي مختلف نانوذرات در طی دوره هاي ارزیابی مورد مطالعه ترسیم شد.

- 3 نتایج

1-3 نتایج مربوط به آزمون اسپکتروکوپی - FT-IR -

نتایج مربوط به آزمون استروسکوپی پوشش حاوي نانو ذرات تیتانیم دي اکساید در نمودارهاي شماره 1، 2 و 3 نشان داده شده است. نمودار شماره 1 طیف Ftir مربوط به نانوذره ي تیتانیم دي اکساید، نمودار شماره ي 2 طیف Ftir مربوط به پلی اتیلن خالص بدون نانو ذره و نمودار شماره 3 طیف Ftir مربوط به پلی اتیلن حاوي نانوذره ي دي اکسید تیتانیم را نشان می دهد.

با توجه به نتایج طیف Ftir مربوط به نانو ذره ي خالص تیتانیم دي اکساید خالص در طول موج هاي بین 500 تا 700 شولدر برجستهاي قابل تشخیص است که تا حدي حالت گسترده دارد - نمودار شماره . - 1 نتایج مربوط به Ftir پلی اتیلن خالص مطابق با نمودار شماره 2 از طیف نرمال گزارش شده در سایر مطالعات مربوط به پلی اتیلن مطابقت میکند . در این نمودار سه شولدر در طول موج هاي 750، 1450 و 2800 تا 3000 مشاهده می شود. نتایج مربوط به طیف Ftir نمونه ي سنتز شده پوشش نانوکمپوزیت حاوي نانو ذرات دي اکسید تیتانیم در نمودار شماره 3 گزارش شده است.

نتایج این نمودار تاثیر نانوذره در طیف پلی اتیلن را به خوبی نشان می دهد این تاثیر با بروز شولدر در طول موجهاي بین 500 تا 700 خود را نشان داده است که در طیف پلی اتیلن خالص به صورت شاخص قابل تشخیص نبود . با توجه به نمودارهاي مربوط به تجزیه ي Ftir نمونه ي سنتز شده از پلاستیک پلی اتیلن حاوي نانوذرات دي اکسید تیتانیم، این نتایج بر قرار گرفتن نانو ذره و وجود آنها در پلاستیک پلی اتیلن و ایجاد تغییر در طیف مربوطه اشاره می کند