اثر نسبت ترکیبی کیتوسان-نانورس بنتونیت بر خواص مکانیکی، نفوذپذیری به بخار آب و ریزساختار فیلم نانو کامپوزیت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 ریاست دانشکده مهندسی زراعی

2 استاد گروه علوم زیستی، دانشکده علوم بیولوژی کشاورزی، دانشگاه تسوکوبا، ژاپن

چکیده

سابقه و هدف: فیلم‌های برپایه بیوپلیمر کیتوسان با خواص زیست‌تخریب‌پذیری به عنوان منبع جایگزین پلاستیک مصنوعی بررسی شده‌اند. این نوع فیلم‌های پلی‌ساکاریدی، بعلت ماهیت هیدروفیلیک دارای خواص ممانعتی ضعیف به رطوبت و ویژگی-های مکانیکی ضعیفی می‌باشند که این موارد کاربرد آن‌ها را به عنوان فیلم‌های خوراکی محدود نموده است (1 و 2). از روش-های مؤثر در بهبود خواص فیزیکی، کاربردی و بازدارندگی فیلم‌های کیتوسان تهیه فیلم‌های هیبریدی بیوپلیمر با مواد نانویی است که بعنوان فیلم‌های نانو کامپوزیت شناخته می‌شود. تولید نانو کامپوزیت‌ها را می‌توان به عنوان یکی از نویدبخش‌ترین استراتژی‌ها در اصلاح خواص فیلم‌های پلیمری با منشأ بیو‌لوژیک همانند خواص فیزیکی-مکانیکی و بازدارندگی نفوذ آب در نظر گرفت. در تحقیق حاضر اثر غلظت‌های مختلف نانو رس بنتونیت و کیتوسان بر نفوذ پذیری به بخار آب، خواص مکانیکی و مورفولوژی فیلم‌های قالبگیری شده نانو کامپوزیتی کیتوسان/نانورس مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این تحقیق، محلول بیوپلیمر کیتوسان با نسبت 2 و 3 درصد وزنی/حجمی محلول فیلم ساز و محلول نانو رس بنتونیت با نسبت 1 و 3 درصد(وزنی بر پایه کیتوسان) بطور جداگانه تهیه شد. برای تهیه نانو کامپوزیت، محلول تهیه شده کیتوسان به محلول نانو رس در دمای 55 درجه سانتی‌گراد اضافه گردید. فیلم‌ها به روش قالبگیری محلول نانوکامپوزیتی تهیه گردیدند. همچنین فیلم‌های شاهد از بیوپلیمر کیتوسان خالص در دو نسبت 2 و 3 درصد تهیه شد. میزان ممانعت به نفوذ بخارآب، استحکام کششی، درصد ازدیاد طول و ریز ساختار فیلم نانوکامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت.
یافته‌ها: بر اساس نتایج غلظت نانو رس تأثیر بسیار معنی‌داری) 01/0 (P <بر نفوذپذیری بخار آب و استحکام کششی فیلم‌های بیوپلیمر در دو غلظت‌ یکسان کیتوسان نشان داد. با افزودن نانو رس بنتونیت به ماتریکس کیتوسان در غلظت 1 درصد، استحکام کششی فیلم‌ها به ترتیب در کامپوزیت کیتوسان 2 درصد - نانورس و کامپوزیت کیتوسان 3 درصد - نانورس به 66/0 و 35/0 مگاپاسکال افزایش و درصد کشیدگی فیلم‌ها حدود 8/8 و 47/6 درصد کاهش یافت. با افزایش بیشتر میزان نانو رس به 3 درصد، میزان نفوذپذیری به بخار آب و کشیدگی و به همراه آن میزان استحکام کششی فیلم‌های نانو کامپوزیت کاهش یافت. با استناد به میکروگراف‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی، فیلم نانو کامپوزیت محتوی 1 درصد نانورس در مقایسه با فیلم شاهد در هر دو غلظت کیتوسان دارای ساختار غیر یکنواخت‌تری بوده و این ساختار با استحکام فیلم در بسته بندی و نگهداری مواد غذایی همبستگی مستقیم داشته است. با افزایش غلظت نانورس به 3 درصد، ساختار فیلم متخلخل‌تر شده که با نتایج کاهش استحکام مشاهده شده در کامپوزیت کیتوسان-نانورس3 درصد مطابقت دارد.
استنتاج: می‌توان نتیجه گرفت که افزودن نانورس به بیو‌پلیمر کیتوسان، سبب اصلاح خواص مکانیکی، مورفولوژیکی و نفوذپذیری بخار آب فیلم‌های نانو کامپوزیت در مقایسه با فیلم‌های کیتو‌سان خالص می‌گردد. در مجموع در غلظت نانو‌رس 1 درصد، فیلم‌های نانو کامپوزیت بر پایه کیتوسان به لحاظ نفوذپذیری بخار آب، استحکام کششی، درصدکشیدگی و ریزساختار فیلم بهبود معنی‌داری در مقایسه با فیلم غیراصلاح شده کیتوسان نشان داده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effects of Chitosan/ Nanoclay Bentonite on the Mechanical Properties, Water Permeability and Microstructure of Nanocomposite Film

نویسندگان [English]

  • seyed jafar hashemi 1
  • Marcos NEVES 2
  • Mitsutoshi NAKAJIMA 2
1 head of agricultural engineering faculty
2 School of Life and Environmental Science, College of Agro biological Resource Sciences, University of Tsukuba, Japan
چکیده [English]

Background and objectives: Biopolymer-based films such as chitosan have been studied widely due to their biodegradability and biocompatibility. Chitosan has a great potential for a wide range of food applications but its’ hydrophilic character, and consequently its poor mechanical properties in the moist condition, limits its application (1, 2). Composite films have received much attention, because of their extraordinary possibility to improve the properties of films. One of the promising ways to modify biopolymer properties in terms of physicomechanical properties, inherent water sensitivity, and their relatively lower stiffness and strength, is to make hybrid films using biopolymers and nano-sized fillers known as nanocomposite films. In this research, the effect of bentonite nanoclay/chitosan ratio on the water vapor permeability (WVP), mechanical properties, and surface microstructure of the chitosan nanocomposite films was evaluated.
Materials and methods: In this research, chitosan biopolymer aqueous solution with two concentration (2, and 3% w/v) and bentonite nanoclay solutions with two clay compositions (1 and 3% based on chitosan) were prepared, separately. The chitosan solution was then slowly added to the clay suspension at 55oC. The nanocomposite films were prepared using the solvent-casting method. The films based on 2 and 3% chitosan were considered as unfilled control samples. The water vapour permeability (WVP), tensile strength (TS), elongation at break (E), and microstructures of the films were investigated.
Results: The results show that at identical concentrations of chitosan the amount of bentonite nanoclay affect the WVP and tensile strength (TS) of chitosan films, significantly (p<0.01). By adding 1% nanoclay bentonite to polymer matrix, the value of TS strength of nanocomposite film increased to approximately 0.66 (2% chitosan) and 0.35 MPa (3% chitosan). Moreover, the elongation value decreased to 8.8% and 6.47% in the nanocomposite films based on 2 and 3% chitosan, respectively. Further increase in clay content to 3 wt%, the WVP, elongation and TS of nanocomposites film decreased for chitosan 2 wt%. According to the SEM micrograph, non-homogeneous structure was found for 3% clay-chitosan nanocomposite in comparision to 1% nanoclay loaded chitosan nanocomposite in full agreement to the decrease in TS value observed. With increase the percentage of nanoclay bentonite to 3%, the pore spaces of film increased and consequently the TS exhibited decreased
Conclusion: According to the findings of this research, interactions between nanoclay and chitosan in nanoclay-chitosan nanocomposite have led to the formation of a new material with enhanced mechanical, morphological, and WVP properties than the pure chitosan. Finally, in 1% nanoclay concentration, the water vapor permeability, elongation, tensile strength, and also consistency of the microstructure films were significantly modified in compare of pure chitosan

کلیدواژه‌ها [English]

  • Chitosan
  • Water vapor permeability
  • Nanoclay bentonite
  • Nanocomposite
  • Scanning electron microscopy
1. Nussinovitch, A. 2009. Ebnesajjad:
Handbook of Biopolymers and
Biodegradable Plastics. Adapted from a
chapter in: Kasapis, Modern Biopolymer
Science. Chapter 13, Biopolymer Films
and Composite Coatings.
http://dx.doi.org/10.1016/B978-1-4557-
2834-3.00013-6.
2. Ribeiro, C., Vicente, A., Teixeira, A.,
and Miranda, C. 2007. Optimization of
edible coating composition to retard
strawberry fruit senescence. Postharvest
Biology and Technology, 44: 63-70.
3. Jeon, J., Kamil, Y., and Shahidi, F. 2002.
Chitosan as an edible invisible film for
quality preservation of herring and
Atlantic cod. Journal of Agricultural and
Food Chemistry, 20: 5167-5178.
4. Bourtoom, T. 2008. Edible films and
coatings: characteristics and properties.
International Food Research Journal, 15:
167-180.
5.Dutta, P.K., Tripathi, S., Mehrotra, G.K.,
and Dutta, J. 2009. Perspectives for
chitosan based antimicrobial films in
food applications. Food Chemistry, 114:
1173-1182.
6.Cha, D.S., and Chinnan, M.S. 2004.
Biopolymer-based antimicrobial
packaging: Review. Critical Reviews in
Food Science and Nutrition, 44: 223-
237.
7.Tharanathan, R.N., and Kittur, F.S. 2003.
Chitin: The Undisputed Biomolecule of
Great Potential, Critical Reviews in
Food Science and Nutrition, 43: 61-87.
8.Vargas, M., Albors, A., Chiralt, A., and
González-Martínez, C. 2009.
Characterization of chitosan -oleic acid
composite films. Food Hydrocolloids,
23: 536-547.
9.Kumar, S., Jog, P., and Natarajan, U.
2003. Preparation and characterization
of polymethylmetacrylate clay
nanocomposites via melt intercalation:
The effect of organoclay on the structure
and thermal properties. Journal of
Applied Polymer Science, 89: 1186-
1194.
10.McGlashan, A., and Halley, P. 2003.
Preparation and characterization of
biodegradable starch-based
nanocomposite materials. Polymer
International, 52: 1767-1773.
11.Yixiang, X., Ren, X., and Milford
Hanna, A. 2006. Chitosan/clay nan
composite film preparation and
characterization. Journal of Applied
Polymer Science, 99: 1684–1691.
12.Alexandre, M. and Dubois, P. 2000.
Polymer-layered silicate nan
composites: preparation, properties and
uses of a new class of materials.
Materials Science and Engineering,
28:1-63.
13.Uyama, H., Kuwabara, M., Tsujimoto,
T., Nakano, M., Usuki, A., and
Kobayashi, S. 2003. Green
Nanocomposites from Renewable
Resources: Plant Oil-Clay Hybrid
Materials, Chemistry of Material, 15:
2492-2494.
14.Krochta, M., and Mulder-Johnson, C.
1997. Edible and biodegradable polymer
films: challenges and opportunities.
Food Technology, 51: 61-64.
15.Jin, M. and Zhong, Q. 2013. Surfacecoating montmorillonite nanoclay by
water-soluble proteins extracted from
hominy feed. Journal of Food
Engineering, 119: 687–695.
16.Steudel, A., Batenburg, F., Fischer, R.,
Weidler, G., and Emmerich, K. 2009.
Alteration of non-swelling clay minerals
and magadiite by acid activation.
Applied Clay Science, 44: 95-104.
17.Wang, X., Du, Y., and Luo, J. 2008.
Biopolymer/montmorillonite
nanocomposite: preparation, drugcontrolled release property and
cytotoxicity. Nanotechnology, 19:
065707.
18.Sedighi, H., Irannajad, M., and
Gharabaghi, M. 2013. Silica impurities
removal on bentonite sample for
nanoclay production. Amirkabir Journal
of Science & Research (AJSR - CEE),
45: 11-13.
19.Bhuvaneshwari, S., Sruthi, D.,
Sivasubramanian, V., kalyani, N., and
Sugunabai, J. 2007. Development and
characterization of chitosan film.
International Journal of Engineering
Research and Applications, 1: 292-299.
20.Yang-Su, H., Sang-Hoon, L., Kyung, H.,
and Park, I. 2010. Preparation and
characterization of chitosan-clay nanocomposites with antimicrobial activity,
Journal of Physics and Chemistry of
Solids, 71: 464–467.
21.Anonym 2. 2002. Standard test method
for tensile properties of thin plastic
sheeting. Designation: D882. In: ASTM
annual book of ASTM standards. Cdr
ed. Philadelphia: ASTM, 160–168.
22.Yoshino, T., Isobe, S., and Maekawa, T.
2002. Influence of Preparation
Conditions on the Physical Properties of
Zein Films. Journal of the American Oil
Chemists' Society, 79: 345-349.
23.Hale, O., and Funda, T. 2010.
Preparation and barrier properties of
chitosan layered silicate nan composite
films. Macromol Symposium, 298: 91-
98.
24.Medellin-Rodriguez, J., Burger, C.,
Hsiao, S., Chu, B., Vaia, A., Phillips, S.
2001. Time-resolved shear behavior of
end-tethered nylon 6–clay nan
composites followed by non-isothermal
crystallization. Polymer, 42:15–23.
25.Cunningham, P., Ogale, A., Dawson, P.,
and Acton, J. 2000. Tensile properties of
soy protein isolate films produced by a
thermal compaction technique. Journal
of Food Science, 65: 668-671.
26.Pinotti, A., García, M., Martino, M., and
Zaritzky, N. 2007. Study on
microstructure and physical properties
of composite films based on chitosan
and methylcellulose. Food
Hydrocolloids, 21: 66-72.
27.Abugoch, E., Tapia, C., Villamán, C.,
Yazdani-Pedram, M., and Díaz-Dosque,
M. 2011. Characterization of quinoa
protein chitosan blends edible films.
Food Hydrocolloids, 25: 879-886.