نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سید مجید ذبیح زاده ¹
• سیده مطهره محسنی شکتائی ²
• مریم قربانی کوکنده ³
• قاسم اسدپور ⁴

¹ دانشیار، گروه صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

² رشته صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

³ گروه چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

⁴ گروه چوب و فرآورده‌هایسلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: استفاده گسترده از پلیمرهای نفتی در صنعت بسته‌بندی به‌دلیل زیست‌تجزیه‌ناپذیری، موجب انباشت پسماند و آلودگی خاک و آب‌های سطحی و در نهایت تخریب اکوسیستم‌ها شده است. در این راستا، بیوپلیمرها به‌ویژه پکتین استخراج‌شده از پوست مرکبات به‌عنوان محصول جانبی کشاورزی، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی پلیمرهای سنتزی محسوب می‌شوند. استخراج پکتین با اسیدهای آلی مانند سیتریک اسید، به‌واسطه ایمنی، سازگاری زیست‌محیطی و کیفیت مناسب، رویکردی سبز و مطلوب است. با این حال، فیلم‌های پکتین خالص معمولاً از نظر خواص مکانیکی و ممانعتی محدودیت دارند. نانوفیبریل سلولز به دلیل مدول کشسانی بالا، مقاومت کششی مطلوب و زیست‌تجزیه‌پذیری، می‌تواند به‌عنوان تقویت‌کننده مؤثر در ماتریس پکتین به کار رود. هدف این پژوهش، ساخت و مشخصه‌یابی فیلم‌های بایونانوکامپوزیتی پکتینCNF/ با خواص بهبود‌یافته برای کاربردهای بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر است.
مواد و روش‌ها: پکتین با درجه استری‌شدن 63/61% از پوست لیموترش با استفاده از سیتریک اسید استخراج شد و نانوفیبریل سلولز (CNF) از شرکت نانونوین پلیمر تهیه گردید. فیلم‌ها به روش ریخته‌گری محلول تولید شدند؛ بدین منظور پکتین در آب مقطر در دمای  C70° حل شد، سپس گلیسرول به‌عنوان نرم‌کننده افزوده و pH محلول به 4 تنظیم گردید. هم‌زمان،CNF در سطوح 1، 3 و 5 درصد (وزنی/وزنی) در آب پراکنده و به مدت 30 دقیقه با اولتراسوند پراکنده شد. پس از آن، سوسپانسیون CNF به محلول پکتین افزوده و مخلوط به مدت 25 دقیقه همگن‌سازی شد. محلول‌ها پس از هواگیری در آون خلأ، در پتری‌دیش ریخته شدند و به مدت 48 ساعت در دسیکاتور حاوی محلول اشباع منیزیم نیترات (رطوبت نسبی 8/52 درصد در C25°) خشک شدند. خواص کششی، خواص نوری، ضخامت، نفوذپذیری بخار آب و جذب رطوبت فیلم‌ها اندازه‌گیری شد. فیلم‌های پکتین خالص و حاوی 5 درصد CNF برای آزمون‌های FTIR،XRD و SEM انتخاب شدند. تحلیل آماری داده‌ها با استفاده از نرم‌افزار SPSS انجام شد.
نتایج: نتایج نشان داد افزودن نانوفیبریل سلولز (CNF) اثر معنی‌داری بر خواص فیلم‌های پکتینی دارد. مدول یانگ از 12/3 مگاپاسکال در فیلم پکتین خالص به 08/8 مگاپاسکال در فیلم حاوی 5 درصد CNF افزایش یافت. همچنین استحکام کششی از 42/1 به 60/2 مگاپاسکال و جذب انرژی کششی از 94/12 به 43/22 ژول ارتقا یافت که بیانگر بهبود هم‌زمان سفتی، استحکام و چقرمگی سامانه است. نفوذپذیری بخار آب با افزودن 5 درصد CNFحدود 51 درصد کاهش یافت و از g/m.s.Pa10-11×54/4 به g/m.s.Pa 10-11×22/2 رسید؛ این مقدار از نظر عملکرد ممانعتی با سلوفان قابل مقایسه است. جذب رطوبت نیز در غلظت 5 درصد CNFبه 35/25 درصد کاهش یافت. در مقابل، شفافیت فیلم‌ها با افزایش CNF از 26/98 درصد به 09/80 درصد کاهش یافت. نتایج FTIR تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی میان CNF و پکتین را تأیید کرد. الگوهایXRD افزایش 73 درصدی شدت پراش و بهبود درجه بلورینگی را نشان دادند. همچنین تصاویر SEM پراکندگی نسبتاً مناسب نانوفیبریل سلولز و سازگاری فازی مطلوب بین CNF و ماتریس پکتین را تأیید نمود.
نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد فیلم بایونانوکامپوزیتی پکتین/نانوفیبریل سلولز ترکیبی مطلوب از خواص مکانیکی و ممانعتی را فراهم می‌کند. بهبود عملکرد این سامانه را می‌توان به شکل‌گیری پیوندهای هیدروژنی قوی بین ماتریس پکتین وCNF ، افزایش درجه بلورینگی و ایجاد یک شبکه تقویت‌کننده سه‌بعدی نسبت داد. بر این اساس، فیلم پکتین/نانوفیبریل سلولز گزینه‌ای امیدبخش به‌عنوان جایگزین زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته‌بندی‌های پلاستیکی متداول بوده و می‌تواند در کاهش پیامدهای زیست‌محیطی پسماندهای بسته‌بندی، در چارچوب اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار، نقش مؤثری ایفا کند.

کلیدواژه‌ها

• واژه‌های کلیدی: پکتین
• نانوفیبریل سلولز
• بایونانوکامپوزیت
• بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر
• پوست لیمو ترش

موضوعات

• نانو کامپوزیت