بهینه‌سازی آمیخته‌های سه‌تایی بر پایه پلی‌لاکتیک اسید طبق خواص فیزیکی و زیستی

کاظمی پاسروی, سینا; گلشن ابراهیمی, نادره

بهینه‌سازی آمیخته‌های سه‌تایی بر پایه پلی‌لاکتیک اسید طبق خواص فیزیکی و زیستی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

سینا کاظمی پاسروی

نادره گلشن ابراهیمی

دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

افزایش ضایعات پلاستیکی صنعت بسته بندی و نگرانی ها درباره ی مشکلات زیست محیطی آن ها، استفاده از زیست پلیمرها را مورد توجه محققان بسیاری قرار داده است. بنابراین تهیه فیلم های زیست تخریب پذیر ارزان با خواص مطلوب، به منظور استفاده در صنعت بسته بندی میتواند چالشی جذاب تلقی شود.

در پژوهش حاضر آمیخته هایی سه تایی بر پایه پلی لاکتیک اسید (Poly (Lactic Acid), PLA) بر مبنای طراحی آزمایش (روش مخلوط) تهیه شد. بدین منظور، ابتدا نشاسته ترموپلاستیک (Thermoplastic Starch, TPS) با استفاده از 28 درصد وزنی سوربیتول (Sorbitol) و 14 درصد وزنی گلیسرول (Glycerol) تهیه شد. سپس با استفاده از روش اختلاط مذاب (Melt Mixing)، آمیخته های سه تایی پلی لاکتیک اسید/ پلی کاپرولاکتون (Poly (Caprolactone), PCL)/ نشاسته ترموپلاستیک در ترکیب درصدهای مختلف تهیه شدند. آزمون های مورفولوژیکی، فیزیکی (کشش و تراوایی بخار آب)، زیست تخریب پذیری و همچنین رئولوژیکی بر روی نمونه ها انجام شد. در پایان نمونه ی بهینه با استفاده از نرم افزار Minitab تعیین شد.

با بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترون روبشی، ناسازگاری و جدایی فازی در آمیخته ها مشاهده شد. با افزایش مقادیر PCL و TPS، به ترتیب افزایش انعطاف پذیری به دلیل اثر نرم کنندگی (Plasticization Effect) PCL و کاهش خواص مکانیکی مشاهده شد. نتایج آزمون عبورپذیری نشان داد که نمونه های حاوی مقادیر کمتر از TPS، به دلیل ماهیت آب دوستی، و بیشتر از PCL، به دلیل افزایش بلورینگی زمینه، دارای تراوایی بخار آب کمتری بودند. همچنین تأثیر TPS در آزمون زیست تخریب پذیری کاملاً مشخص شد، بدین گونه که نمونه ی حاوی 35 درصد وزنی TPS، حدود 50 درصد از وزن خود را در مدت 14 هفته از دست داد. در انتها نمونه ی 25/25/50 (PLA/PCL/TPS) به عنوان نمونه ی بهینه توسط نرم افزار Minitab انتخاب شد. نتایج نشان دادند که فیلم های فرمول بندی شده در این تحقیق قابلیت استفاده در مواد بسته بندی زیست تخریب پذیر با خواص مکانیکی و سدگری مناسب را دارند.

کلیدواژه‌ها

خواص مکانیکی

تراوایی بخار آب

بهینه‌سازی

آمیخته های زیست تخریب پذیر

موضوعات

کامپوزیت

عنوان مقاله English

Optimization of ternary blends based on poly (lactic acid) according to physical and biological properties

نویسندگان English

sina kazemi pasarvi

Nadereh Golshan Ebrahimi

Tarbiat modares university

چکیده English

Research subject: Increasing plastic wastes of the packaging industry and concerns about their environmental problems, have attracted many researchers to use biopolymers. Therefore, the preparation of cheap biodegradable films with desirable properties for using in the packaging industry can be an attractive challenge.

Research approach: In this study, poly (lactic acid) (PLA) based ternary blends were prepared by experimental design (mixture method). For this purpose, thermoplastic starch (TPS) was first prepared using 28 wt% sorbitol and 14 wt% glycerol. Then, PLA / PCL (poly (caprolactone), PCL) / TPS ternary blends at different concentrations were prepared using the melt mixing method. Morphological, physical (tensile, water vapor permeability), biodegradability, and rheological tests were also carried out. Finally, the optimum sample was determined using Minitab software.

Main results: Scanning electron microscope (SEM) images revealed incompatibility and phase separation in the blends. Moreover, with increasing PCL and TPS contents, flexibility enhanced due to the plasticization effect of PCL and mechanical properties declined, respectively. The permeability test results showed that the samples containing less TPS due to its hydrophilic nature and more PCL leads to increase the crystallinity of the matrix, had lower water vapor permeability. The effect of TPS on the biodegradability test was also well established. In this way, the sample containing 35 wt% TPS loses about 50% of its weight within 14 weeks. Finally, the sample with 50/25/25 (PLA / PCL / TPS) composition was selected as the optimum sample by Minitab software. The results showed that the formulated films in this study have the potential to be used in biodegradable packaging materials with good mechanical and barrier properties.

کلیدواژه‌ها English

Mechanical properties

Water vapor permeability

Optimization

Biodegradable blends

[1] Muller, J., González-Martínez, C., & Chiralt, A., "Combination of Poly (Lactic) Acid and Starch for Biodegradable Food Packaging." Materials, 10(8), 952, 2017.
[2] Davachi, S. M., Et Al., "Interface Modified Polylactic Acid/Starch/Poly ε-Caprolactone Antibacterial Nanocomposite Blends for Medical Applications." Carbohydrate Polymers, 155, 336-344, 2017.
[3] Mittal, V., Akhtar, T., Luckachan, G., & Matsko, N., "PLA, TPS and PCL Binary and Ternary Blends: Structural Characterization and Time-Dependent Morphological Changes." Colloid and Polymer Science, 293(2), 573-585, 2015.
[4] Pawar, P. A., & Purwar, A. H., "Biodegradable Polymers in Food Packaging." American Journal of Engineering Research, 2(5), 151-164, 2013.
[5] Ferri, J. M., Et Al., "Effect of Miscibility on Mechanical and Thermal Properties of Poly (Lactic Acid)/Polycaprolactone Blends." Polymer International, 65(4), 453-463, 2016.
[6] Navarro-Baena, I., Et Al., "Design of Biodegradable Blends Based on PLA and PCL: From Morphological, Thermal and Mechanical Studies to Shape Memory Behavior." Polymer Degradation and Stability, 132, 97-108, 2016.
[7] Mittal, V., Akhtar, T., & Matsko, N., "Mechanical, Thermal, Rheological and Morphological Properties of Binary and Ternary Blends of PLA, TPS and PCL." Macromolecular Materials and Engineering, 300(4), 423-435, 2015.
[8] Quiles-Carrillo, L., Et Al., "Ductility and Toughness Improvement of Injection-Molded Compostable Pieces of Polylactide by Melt Blending with Poly (Ε-Caprolactone) and Thermoplastic Starch." Materials, 11(11), 2138, 2018.
[9] Sarazin, P., Li, G., Orts, W. J., & Favis, B. D., "Binary and Ternary Blends of Polylactide, Polycaprolactone and Thermoplastic Starch." Polymer, 49(2), 599-609, 2008.
[10] Bulatović, V. O., Et Al., "Biodegradability of Blends Based on Aliphatic Polyester and Thermoplastic Starch." Chemical Papers, 73(5), 1121-1134, 2019.
[11] Esmaeili, M., Pircheraghi, G., & Bagheri, R., "Optimizing the Mechanical and Physical Properties of Thermoplastic Starch via Tuning the Molecular Microstructure Through Co‐Plasticization by Sorbitol and Glycerol." Polymer International, 66(6), 809-819, 2017.
[12] Standard Test Methods for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting, Annual Book of ASTM Standard, D882-12, 2012.
[13] Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Material, Annual Book of ASTM Standard, E96-95, 1995.
[14] Lide, David R., Ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Vol. 85. CRC Press, 2004.
[15] Bashir, A., Et Al., "Co-Concentration Effect of Silane with Natural Extract on Biodegradable Polymeric Films for Food Packaging." International Journal of Biological Macromolecules, 106, 351-359, 2018.
[16] Ferri, Jose M., Et Al. "Effect of Miscibility on Mechanical and Thermal Properties of Poly (Lactic Acid)/Polycaprolactone Blends." Polymer International, 65(4), 453-463, 2016.
[17] Azevedo, Viviane Machado, Et Al., "Whey Protein Isolate Biodegradable Films: Influence of The Citric Acid and Montmorillonite Clay Nanoparticles on the Physical Properties." Food Hydrocolloids 43, 252-258, 2015.
[18] Díez-Pascual, A. M., & Diez-Vicente, A. L., "Zno-Reinforced Poly (3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxyvalerate) Bionanocomposites with Antimicrobial Function for Food Packaging." ACS Applied Materials & Interfaces, 6(12), 9822-9834, 2014.
[19] Ferri, J. M., Et Al. "Poly (Lactic Acid) Formulations with Improved Toughness by Physical Blending with Thermoplastic Starch." Journal of Applied Polymer Science 135(4), 45751, 2018.
[20] Tawakkal, I. S., Cran, M. J., & Bigger, S. W., "The Influence of Chemically Treated Natural Fibers in Poly (Lactic Acid) Composites Containing Thymol." Polymer Composites, 39(4), 1261-1272, 2018.
[21] Ahmadzadeh, Y., Babaei, A., & Goudarzi, A., "Assessment of Localization and Degradation of ZnO Nano-Particles in the PLA/PCL Biocompatible Blend Through a Comprehensive Rheological Characterization." Polymer Degradation and Stability, 158, 136-147, 2018.
[22] Erdogdu, Ferruh. Optimization in Food Engineering. CRC Press, 2008.