مطالعه رفتار ‌‌زیست‌تخریب‌پذیری نانوکامپوزیت‌های پلی‌وینیل‌الکل- نانوکریستال سلولز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه سلولزی و بسته‌بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران

2 دانشجوی دکتری گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

3 استادیار علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده فناوری کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

در این پژوهش رفتار زیست‌تخریب‌پذیری نانوکامپوزیت‌های پلی‌وینیل‌الکل- نانوکریستال سلولز موردمطالعه قرار گرفت. فیلم‌های نانوکامپوزیت‌های حاوی درصدهای مختلف نانوکریستال‌سلولز (3، 6، 9 و 12 درصد وزنی) توسط روش قالب‌ریزی حلال تهیه شد. تأثیر نانوکریستال‌سلولز بر روی زیست‌تخریب‌پذیری نانوکامپوزیت‌های موردمطالعه قرار گرفت. آزمون‌های جذب آب و حلالیت در آب با غوطه‌وری نمونه‌ها در آب مقطر انجام شد. ضریب انتشار و بیشینه جذب رطوبت از روی منحنی‌های جذب تعیین شد. مشخص شد که رفتار جذب آب نمونه‌ها از قانون فیک تبعیت می‌کند. بیشینه جذب آب و ضریب انتشار نمونه‌ها با افزایش درصد نانوکریستال‌سلولز کاهش یافت؛ بااین‌وجود انحلال‌پذیری در آب افزایش نشان داد. زیست‌تخریب‌پذیری فیلم‌ها با غوطه‌وری نمونه‌ها در محلول آنزیمی سلولاز و دفن در خاک موردپژوهش قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزودن نانوکریستال‌سلولز موجب افزایش افت وزن نمونه‌ها در محیط آنزیمی و کاهش آن در محیط خاک می‌شود. تخریب محدود نمونه‌ها در محیط خاک به شکل‌گیری برهمکنش‌های قوی با مواد جامد خاک که مانع دسترسی گروه‌های عاملی می‌شوند نسبت داده شد. نمونه‌های با درجه هیدرولیز پایین در هر دو محیط آنزیمی و خاک دچار تخریب شدید شدند، درحالی‌که نمونه‌های با درجه هیدرولیز بالا تحت این شرایط در برابر زیست‌تخریب‌پذیری سرسختی نشان دادند.

کلیدواژه‌ها


[1]       Kale, G., Auras, R. and Singh, S. P., 2006. Degradation of commercial biodegradable packages under real composting and ambient exposure conditions. Journal of Polymers and the Environment, 14 (3):317-334.

[2]       Sivan, A. 2011. New perspectives in plastic biodegradation. Current opinion in biotechnology, 22(3): 422-426.

[3]       Tokiwa, Y., Calabia, B. P., Ugwu, C. U. and Aiba, S., 2009. Biodegradability of plastics. International Journal of Molecular Science, 10(9): 3722-3742.

[4]       Rhim, J.W. and NG, P.K.W. 2007. Natural biopolymer-based nanocomposite films for packaging applications. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 47(4):411-433.

[5]       Abolghasemi Fakhri, L., Ghanbarzadeh, B., Dehghannia, J. and Entezami, A. A., 2011. The Effects of Montmorillonite and Cellulose Nanocrystals on Physical Properties of Carboxymethyl Cellulose/Polyvinyl Alcohol Blend Films. Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 24 (6): 455-466. (In Persian).

[6]       Ray, S.S. and Bousmina, M., 2005. Biodegradable polymer/layered silicate nanocomposites. Progress in Materials Science, 50(8):962–1079.

[7]       Ray, S.S. and Bousmina, M., 2005. Effect of organic modifier miscibility on structure, properties and viscoelasticity, Polymer, 46(26):12430-12439.

[8]       Okamoto, K., Ray, S.S. and Okamoto, M., 2003. New poly (butylene succinate)/layered silicate nanocomposites. 2. Effect of organically modified layered silicates on morphology, materials properties, melt rehology, and biodegradability. Journal of Polymer Science Part B, 41(24):3160-3170.

[9]       Ray, S.S., Bousmina, M. and Okamoto, K., 2005. Structure and properties of nanocomposites based on poly (butylene succinate-co-adipate) and organically modified montmorillonite. Macromolecular Materials and Engineering, 290 (8):759-768.

[10]   Bharadwaj, R.K., Mehrabi, A. R., Hamilton,C., Trujillo, C., Murga, M., Fan, R., Chavira, A. and Thompson, A. K., 2002. Structure-property relationships in cross-linked polyester-clay nanocomposites, Polymer, 43(13):3699-3705.

[11]   Mathew, A.P. and Dufresne, A., 2002. Morphological investigation of nanocomposites from sorbitol plasticized starch and tunicin whiskers. Biomacromolecules, 3(3):609-617.

[12]   Gorrasi, G., Tortora, M., Vittoria, V., Pollet, E., Lepoittenvin, B., Alexandre, M. and Dubois, P., 2003. Vapor barrier properties of polycaprolactone montmorillonite nanocomposites: effect of clay dispersion, Polymer, 44(8):2271-2279.

[13]   Pantoustier, N., B. Lepoittevin, M. Alexandre, D. Kubies, C. Calberg, R. Jerome & P. Dubois, 2002. Biodegradable polyester layered silicate nanocomposites based on poly (ε-caprolactone). Polymer Engineering and Science, 42(9):1928-1937.

[14]   Strawhecker, K.E. and Manias, E., 2000. Structure and properties of poly (vinyl alcohol)/Na+-montmorillonite nanocomposites. Chemistry of Materials, 12(10):2943-2949.

[15]   Wang, Y., Wang, Y. & Yan, D., 2003. Properties of poly (vinyl alcohol)/montmorillonite nanocomposite fiber. Polymer Preprints, 44:1 1102-1103.

[16]   Roohani, M., Habibi,Y., Belgacem, N. M., Ebrahim, G., Karimi, A. N. and Dufresne, A., 2008. Cellulose whiskers reinforced polyvinyl alcohol copolymers nanocomposites. European Polymer Journal, 44(8):2489–2498.

[17]   Solaro, R., Corti, A. and E. Chiellini., 2000. Biodegradation of poly (vinyl alcohol) with different molecular weight and degree of hydrolysis. Polymers for Advanced Technologies, 11(8-12): 873-878.

[18]   Chiellini, E., Corti, A., D’Antone, S. and Solaro, R., 2003. Biodegradation of poly (vinyl alcohol) based materials. Progress in Polymer Science, 28: 963-1014.

[19]   Cheng, Q. and Wang, S., 2008. A Method for Testing the Elastic Modulus of Single Cellulose Fibrils via Atomic Force Microscopy. Part A. Composites, 39:1838-1843.

[20]   Gacitua, W. E., Ballerini, A.A. and Zhang, J., 2005. Polymer Nanocomposites: Synthetic and Natural Fillers a Review, Maderas, 7: 59-178.

[21]   Wang, B. and Sain, M., 2007. Dispersion of soybean stock-based nanofiber in a plastic matrix. Polymer International, 56(4) 538–546.

[22]   Zimmermann, T., Pohler, E. and Geiger, T., 2004. Cellulose fibrils for polymer reinforcement. Advanced Engineering Materials, 6(9):754–761.

[23]   Lu, J., Wang, T. and Drzal, L. T., 2008. Preparation and properties of microfibrillated cellulose polyvinyl alcohol composite materials. Composites A, 39(5):738–746.

[24]   Laxmeshwar, S. S., Madhu Kumar, D. J., Viveka, S. and Nagaraja, G. K., 2012. Preparation and properties of biodegradable film composites using modified cellulose fibre-reinforced with PVA. ISRN Polymer Science, 2012 (2012): Article ID 154314, 8 pages
[25]   Paralikar, S. A., Simonsen, J. and Lombardi, J., 2008. Poly (vinyl alcohol)/cellulose nanocrystal barrier membranes. Journal of Membrane Science, 320(1-2): 248–258.

[26]   Shi, J., Shi, S. Q., Barnes, H. M. and Pittman, C. U., 2011. A chemical process for preparing cellulosic fibers hierarchically from kenaf bast fibers. BioResources,   6(1):879–890.

[27]   Silvério, H. A. Neto,W. P. F. and Pasquini, D., 2013. Effect of Incorporating Cellulose Nanocrystals from Corncob on the Tensile, Thermal and Barrier Properties of Poly (Vinyl Alcohol) Nanocomposites. Journal of Nanomaterials. 2013 (2013): Article ID 289641, 9 pages

[28]   Taghizadeh, M. T. and Sabouri, N., 2013. Biodegradation behaviors and water adsorption of poly (vinyl alcohol)/starch/carboxymethyl cellulose/clay nanocomposites. Universal Journal of Chemistry, 1(2): 21-29.

[29]   Mollasalehi, S., 2013. Fungal biodegradation of polyvinyl alcohol in soil and compost environment Ph.D Thesis, Faculty of Life Sciences, University of Manchester, 156 pages.

[30]   Azahari, N. A., Othman, N. and Ismail, H., 2011. Biodegradation Studies of Polyvinyl Alcohol/Corn Starch Blend Films in Solid and Solution Media. Journal of Physical Science, 22(2): 15–31.

[31]   Fusako, K. and Hu, X., 2009.  Biochemistry of microbial polyvinyl alcohol degradation. Applied Microbiology and Biotechnology, 84(2): 227-237

[32]   Kim D.Y. and Rhee Y.H., 2003. Biodegradation of microbial and synthetic polyesters by fungi. Applied Microbiology and Biotechnology, 61(4):300-308.

[33]   Tudorachi, N., Cascaval, C.N., Rusu, M. and Pruteanu, M., 2000. Testing of polyvinyl alcohol and starch mixtures as biodegradable polymeric materials. Polymer Testing, 19:785–799

[34]   Mao, L., Imam, S., Gordon, S., Cinelli, P. and Chiellini, E., 2002. Extruded cornstarch–glycerol–polyvinyl alcohol blends: Mechanical Properties, Morphology, and Biodegradability. Journal of Polymers and the Environment, 8(4):205-2011.

[35]   De Souza Lima, M.M., Wong, J.T., Paillet, M., Borsali, R. and Pecora, R., 2003. Translational and Rotational Dynamics of Rodlike Cellulose Whiskers. Langmuir, 19(1): 24-29.

[36]   Md Akil, H., Cheng, L. W., Mohd Ishak, Z. A., Abu Bakar, A. and Abd Rahman, M. A., 2009.  Water absorption study on pultruded jute fibre reinforced unsaturated polyester composites. Composite Science and Technology, 69(11–12):1942–1948.

[37]   Dhakal, H., Zhang, Z. and Richardson, M., 2007. Effect of water absorption on the mechanical properties of hemp fibre reinforced unsaturated polyester composites. Composite Science and Technology, 67(7–8): 1674–1683.

[38]   Noushirvani, N., Ghanbarzadeh, B. and Entezami, A. A., 2011. Comparison of Tensile, Permeability and Color Properties of Starch-based Bionanocomposites Containing Two Types of Fillers: Sodium montmorilonite and cellulose nanocrystal. Iranian journal of polymer science and technology, 24(5):391-402. (In Persian).

[39]   Chiellini, E., Corti, A., Politi, B. and Solaro, R., 2000. Adsorption/desorption of poly (vinyl alcohol) on solid substrates and relevant biodegradation. Journal of Polymers and the Environment, 8(2):67-79.