روابط ساختار–خواص پکتین تقویت شده با نانوفیبریل های سلولزی برای فیلم های بایونانوکامپوزیتی پایدار

سابقه و هدف: استفاده گسترده از پلیمرهای نفتی در صنعت بسته بندی به دلیل زیست تجزیه ناپذیری، موجب انباشت پسماند و آلودگی خاک و آب های سطحی و درنهایت تخریب اکوسیستم ها شده است. در این راستا، بیوپلیمرها به ویژه پکتین استخراج شده از پوست مرکبات به عنوان محصول جانبی کشاورزی، گزینه ای مناسب برای جایگزینی پلیمرهای سنتزی محسوب می شوند. استخراج پکتین با اسیدهای آلی مانند سیتریک اسید، به دلیل ایمنی، سازگاری زیست محیطی و کیفیت مناسب، رویکردی سبز و مطلوب است. بااین حال، فیلم های پکتین خالص معمولا ازنظر خواص مکانیکی و ممانعتی محدودیت دارند. نانوفیبریل سلولز به دلیل مدول کشسانی بالا، مقاومت کششی مطلوب و زیست تجزیه پذیری، می تواند به عنوان تقویت کننده موثر در ماتریس پکتین به کار رود. هدف این پژوهش، ساخت و مشخصه یابی فیلم های بایونانوکامپوزیتی پکتینCNF/ با خواص بهبود یافته برای کاربردهای بسته بندی زیست تخریب پذیر است.مواد و روش ها: پکتین با درجه استری شدن ۶۳/۶۱% از پوست لیموترش با استفاده از سیتریک اسید استخراج شد و نانوفیبریل سلولز (CNF) از شرکت نانونوین پلیمر تهیه گردید. فیلم ها به روش ریخته گری محلول تولید شدند؛ بدین منظور پکتین در آب مقطر در دمای  C°۷۰ حل شد، سپس گلیسرول به عنوان نرم کننده افزوده و pH محلول روی ۴ تنظیم گردید. همزمان،CNF  در سطوح ۱، ۳ و ۵ درصد (وزنی/وزنی) در آب پراکنده و به مدت ۳۰ دقیقه با اولتراسوند پراکنده شد. پس ازآن، سوسپانسیون CNF به محلول پکتین افزوده و مخلوط به مدت ۲۵ دقیقه همگن سازی شد. محلول ها پس از هواگیری در آون خلا، در پتری­دیش ریخته شدند و به مدت ۴۸ ساعت در دسیکاتور حاوی محلول اشباع منیزیم نیترات (رطوبت نسبی ۸/۵۲ درصد در C۲۵°) خشک شدند. خواص کششی، خواص نوری، ضخامت، نفوذپذیری بخار آب و جذب رطوبت فیلم ها اندازه گیری شد. فیلم های پکتین خالص و حاوی ۵ درصد CNF برای آزمون های FTIR،XRD  و SEM انتخاب شدند. تحلیل آماری داده ها با استفاده از نرم افزار SPSS انجام شد.نتایج: نتایج نشان داد افزودن نانوفیبریل سلولز (CNF) اثر معنی داری بر خواص فیلم های پکتینی دارد. مدول یانگ از ۱۲/۳ مگاپاسکال در فیلم پکتین خالص به ۰۸/۸ مگاپاسکال در فیلم حاوی ۵ درصد CNF افزایش یافت. همچنین استحکام کششی از ۴۲/۱ به ۶۰/۲ مگاپاسکال و جذب انرژی کششی از ۹۴/۱۲ به ۴۳/۲۲ ژول ارتقا یافت که بیانگر بهبود همزمان سفتی، استحکام و چقرمگی سامانه است. نفوذپذیری بخار آب با افزودن ۵ درصد  CNFحدود ۵۱ درصد کاهش یافت و از  g/m.s.Pa۱۰-۱۱×۵۴/۴ به g/m.s.Pa ۱۰-۱۱×۲۲/۲ رسید؛ این مقدار ازنظر عملکرد ممانعتی با سلوفان قابل مقایسه است. جذب رطوبت نیز در غلظت ۵ درصد  CNFبه ۳۵/۲۵ درصد کاهش یافت. در مقابل، شفافیت فیلم ها با افزایش CNF از ۲۶/۹۸ درصد به ۰۹/۸۰ درصد کاهش یافت. نتایج FTIR تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی میان CNF و پکتین را تایید کرد. الگوهایXRD  افزایش ۷۳ درصدی شدت پراش و بهبود درجه بلورینگی را نشان دادند. همچنین تصاویر SEM پراکندگی نسبتا مناسب نانوفیبریل سلولز و سازگاری فازی مطلوب بین CNF و ماتریس پکتین را تایید نمود.نتیجه گیری: یافته های این پژوهش نشان داد فیلم بایونانوکامپوزیتی پکتین/نانوفیبریل سلولز ترکیبی مطلوب از خواص مکانیکی و ممانعتی را فراهم می کند. بهبود عملکرد این سامانه را می توان به شکل گیری پیوندهای هیدروژنی قوی بین ماتریس پکتین و CNF، افزایش درجه بلورینگی و ایجاد یک شبکه تقویت کننده سه بعدی نسبت داد. بر این اساس، فیلم پکتین/نانوفیبریل سلولز گزینه ای امیدبخش به عنوان جایگزین زیست تخریب پذیر برای بسته بندی های پلاستیکی متداول بوده و می تواند در کاهش پیامدهای زیست محیطی پسماندهای بسته بندی، در چارچوب اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار، نقش موثری ایفا کند.

کلیدواژه ها:

واژه های کلیدی: پکتین ، نانوفیبریل سلولز ، بایونانوکامپوزیت ، بسته بندی زیست تخریب پذیر ، پوست لیمو ترش