بررسي زيست تخريب پذيري فيلم هاي پلي اتيلن سبك- نشاسته اصلاح شده- عبدالحسين نزله پور؛ همت اله شيخ رباطي-مرکز مهندسی عطران

0

اتیلن در اين پژوهش، مورفولوژي، خواص حرارتي، خواص کششي، جذب آب و زيست تخريب پذيري آلياژهاي پلي اتیلن سبک نشاسته گرمانرم (TPS) بررسي شده است. بدين منظور، نمونه­هايي حاوي مقادير مختلف (صفر تا 30% وزني) از TPS و 5% وزني     LDPE-g-MA به عنوان سازگارکننده، با استفاده از اکسترودر دومارپيچه تهيه شدند و سپس با استفاده از اکسترودر فيلم دمشي به  فيلم­هايي با ضخامت مشخص تبديل شدند. اندازه­ گيري خواص کششي و جذب آب همه نمونه­ها با استفاده از روش­هاي استاندارد انجام گرفت.

تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) نمونه­ها جهت بهبود پراکندگي ذرات نشاسته در ماتريس پلي اتيلن در حضور PE-g-MA را نشان مي دهد. با اين وجود، با افزايش مقدار TPS از 10 به 20 و سپس 30% وزني، اندازه ذرات نشاسته در ماتريس LDPE افزايش پيدا کرده که نشان دهنده بهم آميختگي ذرات نشاسته است. خواص کششي از قبيل استحکام کششي نهايي، ازدياد طول در نقطه شکست و مدول کششي فيلم­ها نيز براي پايش خواص مكانيكي آميزه گرفته شده است.

علاوه بر اين، نتايج بدست آمده در اين پژوهش نشان داد که به دليل قطبي بودن نشاسته، با افزايش مقدار TPS جذب آب نمونه­ها افزايش پيدا کرده است. همچنين، زيست تخريب پذير بودن نشاسته باعث افزايش درصد کاهش وزن فيلم ها با افزايش مقدار TPS و پس از دفن کردن آنها در خاک شده است كه در ادامه به آن ها پرداخته مي شود. مورفولوژی

 كلمات كليدي: زيست تخريب پذيري, پلي اتیلن سبك, نشاسته اصلاح شده, مالئيك انيدريد

1-مقدمه

پليمرهاي سنتزي از سال 1940 مورد توجه بسياري واقع شده­اند و صنايع مختلف به وسيله پليمرهاي بر پايه مشتقات نفتي مانند پلي اتيلن (PE)، پلي پروپيلن (PP)، پلي استايرن (PS)، پلي (اتيلن ترفتالات) (PET)، پلي (وينيل کلرايد)  و غيره دگرگون شده. تنوع پلاستيک­ها اين امکان را مي­دهد که در کاربردهاي مختلفي از اجزاي ساده، براي مثال کيسه­هاي پلاستيکي و بطري­ها گرفته تا در ساخت قطعات ماشين­، قطعات کامپيوتر، تجهيزات الکترونيکي و موارد ديگر به کار روند. اتیلن

همچنين در کاربردهايي مانند حمل و نقل، بسته­بندي، ساختمان، لوازم پزشکي، کشاورزي و ارتباطات مفيد واقع شده­اند. علت آن، قابليت بي نظير فرآورش و تأمين خواص مورد نياز آنهاست. کاربردهاي مختلف پلاستيک­ها را نشان مي­دهد.توليد جهاني پلاستيک­ها سالانه بيش از 78 ميليون تن است و تقريباً نيمي از آن پس از مدت زمان کوتاهي استفاده دور ريخته    مي­شوند و بيش از 30 سال در طبيعت باقي مي­مانند. براي مثال، کاربردهاي زياد پلاستيک­ها در صنعت بسته­بندي و عمر طولاني مدت آنها مي­تواند به مشکلات زيست محيطي جدي منجر شود. اتیلن

پلاستيک­هاي بر پايه محصولات پتروشيمي مانند پلي اولفين­ها، پلي استرها و پلي آميدها به دليل در دسترس بودن آنها در مقادير زياد، قيمت کم و ويژگي­هاي عملکرد مطلوب از قبيل استحکام کششي و پاره­گي خوب، مانع بودن در برابر اکسيژن و ترکيبات آلي و قابليت درزبندي حرارتي، به طور   فزاينده­اي به عنوان پلاستيک­هاي بسته­بندي به کار رفته­اند. اکثر مواد بسته­بندي پلاستيکي سبک براي کاربردهاي يکبار مصرف مورد استفاده قرار گرفته­اند. زماني که عمر اين مواد به پايان مي­رسد دور ريخته مي­شوند. اين مواد در حضور ميکروب­ها با دوام و خنثي بوده و بنابراين به دوام طولاني مدت آنها در طبيعت منجر مي­شود. مورفولوژی

با وجود اينکه اين پلاستيک­ها از مواد نفتي ساخته شده­اند اما به آساني زيست تخريب پذير نيستند. پلاستيک­هاي سنتزي مانند پلي اتیلن و پلي پروپيلن نرخ عبور بخار آب بسيار کمي دارند، به طوريکه کاملاً زيست تخريب ناپذير هستند و بنابراين به آلودگي محيطي منجر مي­گردند که مشکلات زيست محيطي جدي را در پي خواهد داشت. پلي­اولفين­ها در محيط به وسيله ميکروارگانيسم ها تخريب نمي­شوند که به عمر طولاني مدت آنها در محيط زيست کمک مي­کند. از اين رو، توجه بسياري در افزايش زيست تخريب پذيري پلاستيک­هاي سنتزي از آلياژ کردن آنها با پليمرهاي طبيعي ارزان قيمت به وجود آمده است. مورفولوژی

پلاستيک­هاي زيست تخريب پذير به عنوان موادي با خواص مشابه پلاستيک­هاي معمولي شناخته شده­ اند اما پس از دفع از محيط به وسيله فعاليت ميکروارگانيسمها تجزيه مي­گردند، CO2 و H2O توليد مي­کنند.پلاستيک­هاي زيست تخريب پذير موقعيت­هايي براي کاهش ضايعات جامد شهري از طريق بازيافت زيستي به محيط زيست را فراهم کرده و مي­تواند جايگزين محصولات پلاستيکي سنتزي معمولي گردند. مورفولوژی به علاوه بهتراست که اين پليمرهاي زيست تخريب پذير براي حفظ محيط زيست در ابتدا از محصولات کشاورزي يا منابع تجديدپذيرديگر بدست آيند.

بسياري از مواد سنتزي مانند پلي اولفين­ها به وسيله ميکروارگانيسم­ها در محيط تخريب نمي­شوند که به طول عمر چند ساله آنهاکمک مي­شود. زيست تخريب پذيري زماني رخ مي­دهد که ميکروارگانيسم­هايي مانند باکتري و قارچ، پليمر را در يک محيط هوازي و غيرهوازي تخريب کرده، کربن دي­اکسيد، متان و محصولات طبيعي ديگر از فرآيند تخريب بدست آيد. مورفولوژی بنابراين، زيست تخريب پذيري مي­تواند به صورت تبديل اجزاي يک پليمر به کربن دي اکسيد/ متان، اجزاي سلولي ميکروبي و محصولات جانبي گوناگون به وسيله ميکروارگانيسم­ها بيان شود. ميکروارگانيسم­ها زنجيرهاي پليمري را مي­شکنند و از روش­هاي مختلفي اين مواد را مصرف    مي­کنند.

پلي اتیلن (PE) يکي از پليمرهاي زيست تخريب ناپذير پرمصرف است و انواع مختلف آن به طور گسترده­اي در بسياري از زمينه­ها مانند کشاورزي و فيلم­هاي بسته­بندي مورد استفاده قرار گرفته­اند. از ميان آنها، LDPE در صنايع بسته­بندي به طور گسترده­اي مورد استفاده قرار گرفته است. پليمرهاي زيست تخريب پذير در مقايسه با پليمرهاي غير زيست تخريب پذير به طور قابل توجهي گرانتر هستند. راهکارهاي جديد براي توليد و فرآورش پليمر سنتزي با پليمر طبيعي، جايگزين­هاي مفيدي براي کاهش قيمت پليمرهاي زيست تخريب پذير در بازار هستند.

آلياژ کردن پلي اتیلن سبک با يک پليمر طبيعي مانند نشاسته، حمله ميکروارگانيسم­ها به LDPE را تسريع خواهد کرد. بنابراين، نشاسته انتخاب خوبي است، زيرا ماده­اي ارزان قيمت و فراوان در بازار است بنابراين، قيمت توليد پليمر زيست تخريب پذير کاهش خواهد يافت. بررسي پلاستيک­هاي زيست تخريب پذير بر پايه نشاسته از سال 1970 توسط گريفين آغاز شده و تا به امروز در آزمايشگاه­هاي سراسر جهان ادامه دارد. نشاسته، پايداري گرمايي مناسب با حداقل تداخل درخواص فرآيندي مذاب و کاهش کمي در کيفيت محصول را فراهم مي­کند. به دليل زيست تخريب پذيري، در دسترس بودن و قيمت کم به عنوان انتخابي مناسب در کاربردهاي مشخص مورد توجه قرار گرفته است.

خواص فيزيکي بسيار خوب پلي اولفين­ها نيز باعث شده به عنوان مواد بسته­بندي و فيلم بسيار مفيد باشند. بنابراين، پلي اتيلن (PE) آلياژ شده با نشاسته، انتخاب بالقوه­اي براي جايگزين شدن با گرمانرم­هاي غير زيست تخريب پذير در کاربردهاي بسته­بندي است.در اين پروژه از پلي اتیلن سبک LH0075 با وزن مولکولي بالا و نوع فيلم، محصول پتروشيمي بندر امام استفاده شده است. نشاسته استفاده شده در اين پژوهش، نشاسته ذرت تجاري اصلاح نشده، محصول شرکت گلوکزان قزوين است که دانسيته آن g/cm3 5/1 و متوسط اندازه ذرات آن  μ m25-15 مي­باشد.

اين نوع نشاسته تقريباً حاوي 30% آميلوپکتين و 70% آميلوز است و مقدار رطوبت آن 12%  مي­باشد.گليسيرول (گليسيرين،C3H8O3) به عنوان نرم کننده براي تهيه نشاسته گرمانرم، از شرکت مواد شيميايي هانزا آلمان تأمين شده است. دانسيته آن g/cm32/1 مي­باشد مالئيک انيدريد پيوند خورده بر روي پلي اتیلن سبک (LDPE-g-MA) به عنوان سازگارکننده از شرکت کيميا بسپار آسيا تهيه شده است. مقدار مالئيک انيدريد در سازگارکننده، 2% وزني مي­باشد.

2-دستگاه هاي آماده سازي و تهيه نمونه:

از اکسترودر دو مارپيچه مدل KETSE 20\40 D ساخت کشور آلمان با نسبت طول به قطر 40 به 20 براي تهيه TPS  و آلياژهاي LDPE/TPS استفاده شد. اکسترودر مجهز به 6 ناحيه حرارتي است و مارپيچ­هاي آن به صورت هم محور مي­چرخند و با ايجاد برش بالا مخلوط يکنواختي بدست مي­آورند. اين اکسترودر در دانشگاه اميركبير ايران موجود مي­باشد. پس از تهيه آلياژها، فيلم­هايي با ضخامت مشخص با استفاده از اکسترودر تک مارپيچه فيلم دمشي BRABENDER (آلمان) تهيه شده­اند. نسبت طول به قطر (L/D) اکسترودر برابر با 10 بوده و مجهز به 5 ناحيه حرارتي است. در فرآيند اکستروژن دمشي، فيلم تهيه شده در دو جهت ماشين (MD) و جهت عرضي (TD) آرايش يافتگي و خواص متفاوتي دارد.

3-تهيه نشاسته گرمانرم:

قبل از تهيه نشاسته گرمانرم نشاسته ذرت خالص در دماي oC80 به مدت 24 ساعت در آون خلأ خشک شده تا رطوبت آن کاهش يابد. نشاسته گرمانرم از پيش اختلاط نشاسته ذرت با 30% گليسيرول در دماي اتاق بدست آمد. مخلوط تهيه شده به مدت 24 ساعت باقي ­ماند تا گرانول­هاي نشاسته متورم شوند. گرانول­هاي متورم شده سپس با استفاده از يک اکسترودر دومارپيچه چرخشي همسوگرد در محدوده دمايي oC140-110 و سرعت چرخش rpm70 به صورت مذاب مخلوط شدند که از اين پس TPS ناميده مي­شود. نتايج تحقيقات قبلي نشان داد که افزودن 30 تا 35% گليسيرول براي نرم کردن نشاسته موثر بوده است. در اين پژوهش از 30% گليسيرول استفاده شده است.

3-1-تهيه آلياژهاي LDPE/TPS

آلياژهايي از LDPE و نسبت­هاي مختلف 10، 20 و 30% از TPS در اکسترودر دو مارپيچه به صورت مذاب تهيه شدند. سرعت مارپيچ اکسترودر 70 دور بر دقيقه و محدوده دمايي در طول محفظه اکسترودر به صورت oC170-130 (از ناحيه تغذيه تا قالب) تنظيم شد. براي همه نمونه­ها، مقدار5% وزني LDPE-g-MA بر اساس وزن کل آلياژ مورد استفاده قرار گرفت. آلياژهاي تهيه شده سپس در حمام آب سرد شدند و به صورت دانه­هاي ريز خرد شدند.

براي اندازه گيري خواص کششي و زيست تخريب پذيري آلياژهاي تهيه شده، از همه آنها فيلم­هايي به ضخامت µm65 با استفاده از يک اکسترودر تک مارپيچه فيلم دمشي Brabender ساخت کشور آلمان و نسبت L/D برابر با10(موجود در دانشكاه اميركبير ايران) در محدوده دمايي oC170-140، سرعت چرخش rpm 40 تهيه شده است. فرمولاسيون نمونه­هاي مختلف در جدول (1) آورده شده است.

جدول 1- فرمولاسيون­هاي مختلف آلياژهاي LDPE/TPS.

کد

نمونه­ها

LDPE

(درصد وزني)

نشاسته گرمانرم

(درصد وزني)

PE-g-MA

(درصد وزني)

BF0
100
BF10 85 10 5
BF20 75 20 5
BF30 65 30 5

3-2-طيف­هاي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR)

براي مشخص کردن ساختار شيميايي آلياژ­هاي LDPE/TPS، از يک نمونه انتخابي و نمونه LDPE-g-MA خالص طيف FTIR گرفته شد. براي اينکار فيلم تهيه شده از اين نمونه ها تحت اشعه مادون قرمز قرار گرفت و و طيف­هايي در محدوده 4000 تا 400 برسانتيمتر نمايان گرديد. براي تهيه طيف زير قرمز يک ماده دو راه وجود دارد: بازتاب نور از سطح نمونه و عبور نور از نمونه شفاف و نيمه شفاف. طيف­هاي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR) مربوط به سازگار­کنند  PE-g-MA و نمونه انتخابي BF10 را نشان مي­دهد. همانطور که از شکل مشخص است، در طيف مربوط به سازگار­کننده دو پيک در اعداد موجي 1716 و cm-11790 ظاهر شده که به ترتيب متعلق به گروه­هاي متقارن و نامتقارن مالئيک انيدريد هستند. مورفولوژی

اين پيک در نمونه BF10 تقريباً حذف شده و به جاي آن يک پيک گروه استري در عدد موجي cm-1 1150 تشکيل شده است. وجود اين پيک در نمونه انتخابي، برهمکنش شيميايي بين گروه­هاي MA در PE-g-MA و گروه­هاي هيدروکسيل TPS را تأييد مي­کند. اين نتيجه نشان مي­دهد که وجود PE-g-MA براي ايجاد سازگاري بين LDPE و TPS موثر بوده است. بايستي بيان شود که موقعيت اين پيک در نتيجه رزونانس بين گروه کربونيل و الکترون­هاي جفت­نشده بر روي اتم اکسيژن نشاسته است که باعث مي­شود پيک گروه استري در اعداد موجي کمتر ظاهر شود. مورفولوژی

علاوه بر اين، در نمونه انتخابي، پيک –OH کششي پهن­تري در ناحيه 3100 تا cm-1 3600 ظاهر شده است که به دليل تشکيل پيوند هيدروژني بين گروه­هاي هيدروکسيل نشاسته و گليسيرول است.در فرآيند تهيه TPS، دما و نرخ برشي بالاي اعمال شده در اکسترودر دوماريپچه باعث مي­شود ساختار نيمه­بلوري نشاسته خالص تخريب شده و يک توده نسبتاً بي شکل تشکيل شود. فرآيندپذيري نشاسته و خواص فيزيکي بدست آمده براي TPS، به ميزان تغييرات ساختاري نشاسته بستگي دارد. در فرآيند تهيه TPS، در اثر افزودن گليسيرول پيوندهاي هيدروژني درون و بين­مولکولي نشاسته خالص شکسته شده و پيوندهاي هيدروژني بين­مولکولي جديد مابين نشاسته و گليسيرول تشکيل

ادامه: پیام به پشتیبانی

زورنال تخصصی محیط زیست زیستبان آب-عطران-atran

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

Call Now Button