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

در سال های اخیر حجم تولید فوم های پلی استایرن بسیار زیاد شده است.بیشتر این فوم ها در صنایع غذایی و بسته بندی استفاده می شوند. افزایش نگرانی های زیست محیطی نیاز به توسعه مواد زیست تخریب پذیر را ایجاد کرده است. نشاسته زیست پلیمری قابل دسترس، قابل تجدید، ارزان و زیست تخریب پذیر و قابل ترموپلاست شدن است. این عوامل دلایل علاقه مندی زیاد به استفاده از نشاسته به عنوان جایگزین پلیمرهای سنتزی (مثل پلی استایرن) می باشد. اما فوم نشاسته دارای خصوصیات گرمایی و مکانیکی ضعیفی است. یکی از راه های مهم بهبود خواص فوم نشاسته استفاده از نانوالیاف سلولز به عنوان تقویت کننده 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 می شود که خصوصیات فوم را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. در این مطالعه نانوالیاف سلولز در اکسترودر با نشاسته ترموپلاستیک( TPS ، Thermoplastic starch) مخلوط می شود تا پخش مناسبی از NFC در ماده زمینه پلیمری به دست آید. سپس فوم TPS/NFC تشکیل شده و اثر NFC بر خواص گرمایی و مکانیکی فوم حاصل بررسی می گردد.
. به منظور ساخت نانوبیوکامپوزیت نشاسته ترموپلاستیک/ نانو الیاف سلولز گرانول نشاسته ذرت به صورت پودر، گلیسرول و ژل NFC و آزودی کربنامید تهیه شد. گلیسرول به میزان 30 درصد وزنی به عنوان ماده نرم کننده 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 فوم زا 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 وگرانول هایNFC TPS/ دارای ماده فوم زا تهیه شدند. در مرحله بعد گرانول های به دست آمده از اکسترودر به پرس گرم با دمایی بالاتر از دمای عملکرد ماده فوم زا منتقل شدند و فوم نانوبیوکامپوزیت TPS/NFC ساخته شد. به منظور بررسی ساختار مورفولوژیکی نمونه ها عکس های FE-SEM تهیه شد. آزمون های گرما وزن سنجی(TGA)، کالری متری پویش تفاضلی(DSC) و آنالیز دینامیکی – مکانیکی – گرمایی(DMTA) برای بررسی خصوصیات گرمایی و مکانیکی نمونه ها انجام شد.
عکس های FE-SEM نشان داد فوم نانوبیوکامپوزیت TPS/NFC حفرات بیشتر و کوچک تری در مقایسه با فوم TPS دارد و این موضوع به علت اثر هسته زایی NFC است. نتایج TGA نشان داد با افزایش NFC ثبات گرمایی نانوبیوکامپوزیت های فوم TPS/NFC بیشتر شد نتایج DSC نشان داد با افزایش NFC دمای انتقال شیشه ای نمونه ها افزایش یافت. نتایج DMTA نشان داد مدول ذخیره نمونه ها بعد از اضافه کردن NFC افزایش یافت. دلیل این امر ایجاد فوم میکروسلولی و نیز تقویت دیواره سلولی فوم توسط نانوالیاف سلولز می باشد. همچنین نتایج نشان داد مدول اتلاف و فاکتور اتلاف با افزایش NFC افزایش یافت.
نتایج تحقیق نشان دادNFC خواص گرمایی و مکانیکی فوم TPS/NFC را بهبود داد. اضافه کردن NFC به TPS سبب می شود در هنگام فوم شدن سلول های کوچک تر و همگن تری تولید شود.