پایان نامه های ارشد سری هجدهم

بررسی خواص فیزیکی فیلم نانو کامپوزیت پلی لاکتیک اسیدنقره و تاثیرآن بر …

نیاز بازار به محصولات مواد غذایی طبیعی و بی خطر و مقررات سختگیرانه برای جلوگیری از غذاهای عامل بیماری های عفونی، محققان را به پیدا کردن فناوری جدیدی برای بهبود ایمنی و افزایش کیفیت محصولات غذایی در طول مدت زمان ذخیره سازی برانگیخته است.
همانطور که گفته شد با افزایش آگاهی های زیست محیطی، قیمت نفت خام و چالش های مربوط به گرم شدن کره زمین، توجه و علاقه به پلیمرهای زیستی و فناوری نو، وابستگی به سوخت های فسیلی را کاهش می دهد. از آن جا که زیست پلیمرها از منابع تجدیدپذیر بدست می آیند و زیست تخریب پذیر هستند، استفاده از آن ها در مقایسه با پلیمرهای بر پایه ترکیبات نفتی دارای حداقل آثار منفی زیست محیطی است (داداشی و همکاران، ۱۳۹۱؛ الماسی و همکاران، ۱۳۹۲).
بزرگترین گروه پلیمرهای زیست تخریب پذیر، پلیمرهایی هستند که در ساختار زنجیره خود دارای پیوندهای قابل هیدورلیز هستند. از جمله این پلیمرها میتوان به پلی استرها، پلی آمیدها، پلیاوره ها، پلی انیدریدها، پلی(آمید- انامین)ها، پلی اورتان ها و پلی فسفازن ها را نام برد.
هزینه های سنگین تولید پلیمرها، کاربرد این بسپارها را تا سال ۱۹۸۰ محدود به زمینه پزشکی کرده بود. از آن زمان پیشرفت های عمده در تکنولوژی فرآیند اسید لاکتیک تولید شده به طریق زیستی، منجر به تولید بسپارهای زیست تخریب پذیر از اسید لاکتیک جهت کاربردهای غیر پزشکی در مقیاس تجاری شده است (گراس و کالرا[۲۳]، ۲۰۰۲).
زیست بسپارهای تشکیل دهنده فیلم اساسا از پروتئینها، پلی ساکاریدها (کربوهیدراتها و صمغها) و لیپیدها حاصل میشوند. همچنین ممکن است زیست بسپارها از ترکیبات سنتزی نیز تولید شوند. پلاستی سایزرها، ترکیبات اصلاح کننده پلیمری و افزودنیهای دیگر برای تغییر خواص فیزیکی و کاربردی فیلم ها، همراه زیست بسپارهای تشکیل دهنده فیلم استفاده میشوند (جنادیوس و همکاران، ۱۹۹۸).
تاکنون مطالعات بسیاری در زمینه قابلیت انواع بسپارهای زیستی در تهیه فیلمها و پوششها و خواص بسیاری از این فیلم ها به ویژه فیلمهای تهیه شده از کربوهیدراتها و پروتئینها انجام شده است. بیشتر این تحقیقات در زمینه تاثیر مواد اولیه و روشهای فرآیند تولید فیلمها روی خواص آن ها بوده است، لیکن تحقیقات سالهای اخیر اغلب روی روشهای نوین اصلاح ویژگیها و ساز و کار اثر گذاری آن ها بر ساختار فیلم، بررسی امکان استفاده از فیلمها به عنوان بستهبندی فعال و مطالعه در زمینه یافتن منابع جدید طبیعی برای تولید این محصولات متمرکز بوده است.
۲-۶-۱- طبقه بندی پلیمرهای زیست تخریب پذیر
تقسیم بندی های متفاوتی برای پلیمرهای زیست تخریب پذیر وجود دارد. این پلیمرها با توجه به منبعشان در دسته بندی زیر جای گرفته اند :
۱- پلیمرهایی که به طور مستقیم و یا از توده زیستی (پلی ساکارید، پروتئین، پلی پپتید و پلی نوکلئوتید) استخراج شده اند.
۲- پلیمرهایی که به صورت شیمیایی مونومرهایی بر پایه مواد زیست تخریب پذیر یا منابع مختلف توده زیستی و منابع نفتی (مانند پلی لاکتیک اسید، بیو پلی استر) بدست می آیند.
۳- پلیمرهایی که توسط میکروارگانیسم ها و یا باکتری های اصلاح شده ژنتیکی (پلی هیدروکسی بوتیرات، سلولز باکتریایی و زانتان) تولید می شود (سورنتینو و همکاران[۲۴]، ۲۰۰۶).
در تقسیم بندی دیگری پلیمر های زیست تخریب پذیر در دو دسته ی سنتزی و طبیعی جای می گیرند. انواع سنتزی از مشتقات نفتی تولید می شود و بیشتر شامل پلی استرها می باشند. انواع طبیعی یا بایو پلیمرها منشاء حیاتی دارند. بایو پلیمرها با منشاء طبیعی را میتوان به ۶ زیر گروه طبقه بندی کرد:
۱) پلی ساکاریدها، مانند: نشاسته، سلولز، لیگنین و کیتین
۲) پروتئینها، مانند: ژلاتین، کازئین، گلوتن گندم، ابریشم، پشم
۳) لیپیدها، که شامل: چربیهای حیوانی و روغنهای گیاهی مانند روغن کرچک
۴) پلی استرهای تولید شده بوسیله میکروارگانیسمها یا بوسیله گیاهان مانند پلی هیدورکسی آلکانوآت ها (PHA) و پلی ۳- هیدورکسی بوتیرات (PHB)
۵) پلی استرهای سنتز شده از منومرهای با منشا طبیعی مانند: پلیلاکتیک اسید (PLA)
۶) دیگر پلیمرهای طبیعی مانند کائوچوی طبیعی
این بایو پلیمرها منشاء کشاورزی دارند و معمولا از محصولات گیاهی و حیوانی بدست می آیند. یعنی برخلاف پلیمرهای سنتزی که منشاء نفتی دارند، آن ها از منابع تجدید پذیر بدست می آیند و تولید آن ها موجب حفظ منابع تجدید ناپذیر برای نسل های آینده می گردد. بایو پلیمرها از آن جا که توسط میکروارگانیسم در طی فرآیند کمپوست به محصولات طبیعی مانند دی اکسید کربن، آب، متان و توده زیستی تبدیل می شوند قابلیت برگشت به طبیعت را دارد و موجب آلودگی محیط زیست نمی شود.
۲-۶-۲- مزایای پلیمرهای زیست تخریب پذیر
امروزه استفاده از پلیمرهای زیست سازگار و زیست تخریب پذیر به دلیل ویژگی های دوستدار محیط زیست بودن و وابستگی کم به منابع غیرقابل تجدید بسیار مطرح شده است (اورایاما و همکاران[۲۵]، ۲۰۰۲ ؛ شاملی و همکاران، ۲۰۱۰).
قابلیت کمپوست شدن مواد بایوپلیمری از دیگر مزیت های بسیار مهم این پلیمرها است، زیرا با وجود هزینه بر بودن عملیات بازیافت، این مواد بوسیله تجزیه بیولوژیکی فقط آب، دی ا

برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت  fotka.ir  مراجعه نمایید.

کسید کربن و ترکیبات ارگانیک بدون باقیمانده های سمی تولید می کنند.
تاکنون مطالعات بسیاری در زمینه قابلیت انواع پلیمرهای زیستی در تهیه فیلمها و پوششها صورت گرفته و به بررسی خواص بسیاری از فیلمها بویژه فیلمهای تهیه شده از کربوهیدراتها و پروتئینها پرداخته شده است. بیشتر این مطالعات در زمینه تاثیر مواد اولیه و روشهای فرآیند تولید فیلمها روی خواص آن ها بوده، لیکن تحقیقات سالهای اخیر اغلب بر روشهای نوین اصلاح ویژگیها و ساز و کار اثرگذاری آن ها بر ساختار فیلم، بررسی امکان استفاده از فیلمها به عنوان بستهبندی فعال و مطالعه در زمینه یافتن منابع جدید طبیعی برای تولید این محصولات متمرکز بوده است. با توجه به آن که pH، نوع و میزان ماده نرم کننده و شرایط خشک کردن فیلم نظیر دما و رطوبت نسبی از متغیرهای تاثیرگذار بر ویژگیهای فیلمها است، تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است.
به منظور توسعه پلیمرهای زیستی ساخته شده از منابع تجدید پذیر تلاش های جدی صورت است. پلی لاکتیک اسید(PLA)، پلی کاپرولاکتون، پلی گلیکولیک اسید، کیتوزان، آلژینات، مواد سلولزی از جمله پلیمرهای زیست تخریب پذیری هستند که پتانسیل جایگزینی پلیمرهای مصنوعی را دارند ( سالمیری و همکاران[۲۶]، ۲۰۱۴).
۲-۶-۳- پلی لاکتیک اسید
در سال های اخیر استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر و زیست سازگار به دلیل ویژگی های دوستدار محیط زیست بودن و وابستگی کم به منابع غیرقابل تجدید بسیار مطرح شده اند. در میان پلیمرهای زیست تخریب پذیر مبتنی بر منابع تجدید پذیر، پلی لاکتیک اسید (PLA) به خاطر ماهیت تجدید پذیر، زیست تخریب پذیر، زیست گاز، خواص مکانیکی و نوری مناسب، مقاومت بالا و فرآیندپذیری خوب بیشترین توجه را به خود جلب کرده است ( اورایاما و همکاران، ۲۰۰۲، شاملی و همکاران، ۲۰۱۰ ؛ راموس و همکاران[۲۷]، ۲۰۱۴؛ سالمیری و همکاران، ۲۰۱۴).
در سال ۱۹۳۲ پلی لاکتیک اسید، که یک پلیمر کایرال با وزن مولکولی پایین است، توسط کاروتز (دوپونت) با حرارت دادن اسید لاکتیک تحت خلاء کشف شد (جمشیدیان و همکاران، ۲۰۱۰ ؛ لاسپریلا و همکاران، ۲۰۱۱). در سال ۱۹۵۴، دوپونت پلیمری با وزن مولکولی بالاتر تولید کرد. در سال ۱۹۶۸ کاواکس و سانتیس[۲۸] از ساختار بلوری مشابه اورتورومبیک PLLA که یک ترکیب مارپیچی چپ گرد بود، اطلاع دادند (لاسپریلا، ۲۰۱۱).
PLA پلیمری مشتق شده از اسید لاکتیک است که از تخمیر محصولات خام کربوهیدراتی مانند ذرت، گندم، ملاس و دیگر مواد غنی از نشاسته بدست می آید ( لیو[۲۹]،۲۰۰۶).
ساختمان بلوکه شده پلی لاکتیک اسید، lacticacid (2-hydroxy propionic acid)میتواند به صورت D یا L وجود داشته باشد و از تخمیر کربوهیدرات موجود در منابع غذایی تولید میشود و برای کاربرد در بسته بندیها، در تولید فیلمهای نازک پیشنهاد می شود. ویژگیهای خاصی از جمله حالت GRAS، زیست تخریب پذیری و بدست آمدن از منابع زیستی، پلیلاکتیک اسید را در زمره ی بهترین مواد برای کاربردهای غذایی قرار داده است ( آراس و همکاران[۳۰]، ۲۰۰۴).
پلیمرهای مبتنی بر لاکتیک اسید اولین بار بصورت تجاری به عنوان مواد فیبری برای بخیه قابل جذب موفق شدند و پس از آن در تولید دستگاه های پروتز نیز توسعه یافتند. کشف ویژگیهای پلیمریزاسیون در دهه گذشته منجر به تولید پلیلاکتیک اسید با وزن مولکولی بالا و نهایتا استفاده از این پلیمر برای کاربردهای بسته بندی شده است. امروزه استفاده از رزین های PLA توسط سازمان غذا و دارو آمریکا (FDA[31]) و مقامات نظارتی اروپا تایید شده و در زمینه های دارویی مختلفی همچون القاحات جراحی، کشت بافت، چسب زخم و… کاربرد دارد ( لاسپریلا و همکاران، ۲۰۱۱).
۲-۶-۳-۱- خصوصیات پلی لاکتیک اسید
PLA یک پلیمر کایرال حاوی کربن نامتقارن با ساختار مارپیچی است که به خانواده پلی استرآلیفاتیک تعلق دارد (گارلوتا[۳۲]، ۲۰۰۲ ؛ هلم و همکاران[۳۳]، ۲۰۰۶).
PLA در دو شکل پلی-Lلاکتیک اسید و پلی–DLلاکتیک اسید موجود است. پلی-Lلاکتیک اسید پلیمری مشتق شده از لاکتید خالص با بلورینگی بالا، نقطه ذوب بالا و قابلیت فرآیند پایین است که به راحتی ترک می خورد. در حالی که پلی-DLلاکتیک اسید یک پلیمر آمورف با دمای شیشه ای ۶۰ درجه سانتیگراد است که این دما برای کاربردهای بسته بندی پایین است (اعتمادی، ۲۰۰۵ ؛ بالاسوبرامانیان و همکاران، ۲۰۰۹).
PLA با محتوای PLLA بالاتر از ۹۰٪ گرایش به بلوری شدن دارد، در حالی که در کمتر از این مقدار به شکل آمورف است. دمای ذوب (Tm)و دمای انتقال شیشه ای (Tg)[34]PLA با کاهش مقدارPLLA ، کاهش می یابد ( آراس و همکاران، ۲۰۱۰). خصوصیات فیزیکی از جمله چگالی، ظرفیت گرمایی و خواص مکانیکی و رئولوژیکی PLA وابسته به دمای انتقال آن است ( هنتون و همکاران[۳۵]، ۲۰۰۵).
آنتالپی ذوب برای PLAبا ساختار ۱۰۰% کریستالی (ΔH°m) 93 jg-1 برآورد شده در صورتی که اغلب بیشتر از این مقدار (تا ۱۴۸ jgp>-1) گزارش می شود (سودرگارد و استولت[۳۶]، ۲۰۰۲).
چگالی PLLA آمورف و کریستالی به ترتیب ۱٫۲۴۸ و ۱٫۲۹۰ گرم بر میلی لیتر گزارش شده است. چگالی پلی لاکتید جامد برای l-لاکتید ۱٫۳۶ gcm-3، مزو-لاکتید ۱٫۳۳ gcm-3، پلی لاکتید کریستالی ۱٫۳۶ gcm-3 و برای پلی لاکتید آمورف ۱٫۲۵ gcm-3 گزارش شده است ( آراس و همکاران، ۲۰۰۴).
به طور کلی، محصولات PLA در دی اکسان، استونیتریل، کلروفرم، متیلن کلراید، ۲،۱،۱- تری کلرواتان و دی کلرواستیک محلول هستند. پلی لاکتید زمانی که سرد است در اتیل بنزن، تولوئن، استن و تتراهیدروفوران تنها تا حدودی حل می شود، در صورتی که در دمای جوش در این حلال ها به راحتی قابل حل است. پلیمرهای بر پایه اسید لاکتید در حلال هایی چون آب، متانول، اتانول و پروپیلن گلایکول نامحلول است.PLLA کریستالی در استن، اتیل استات یا تتراهیدروفوران نامحلول است (نامپوتیری و همکاران[۳۷]، ۲۰۱۰).
PLA نه تنها بخاطر جانشینی بجای پلیمرهای مبتنی بر نفت خام بلکه بخاطر ویژگی های فیزیکی و مکانیکی بالقوه حائز اهمیت است ( جین و ژنگ، ۲۰۰۸). PLA دارای خواص منحصر به فردی مانند ظاهر خوب، استحکام مکانیکی بالا، سمیت کم و خواص ممانعتی مطلوبی است (جوکار و همکاران، ۲۰۱۰). وجود ویژگیهای شاخصی همچون سهولت روش های تولید، گستردگی، دامنه کاربرد وسیع برای انواع مختلف مواد غذایی، افزایش قابلیت ماندگاری مواد غذایی و حفظ سلامت مصرف کننده به دلیل عدم مهاجرت این ترکیبات موجب محبوبیت روزافزون این پلیمر می شوند. همچنین به دلیل سهولت پردازش، شفافیت و مقاومت شیمیایی خوب در برابر چربی ها و روغن ها استفاده از PLA در بسته بندی مواد غذایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است ( لیم و همکاران[۳۸]، ۲۰۱۰). ﺳﻤﯿﺖ ﭘﺎﯾﯿﻦ و خصوصیات محیطی مناسب از دیگر ویژگی های مطلوبی است که این پلیمر را ﺑﻪ یکی از بهترین گزینه های انتخابی به عنوان ماده اولیه در بسته بندی ﻣﻮاد ﻏﺬاﯾﯽ تبدیل می کند ( کن و همکاران[۳۹]، ۱۹۹۵).
ویژگیهای نفوذپذیری متغیر پلی لاکتیک اسید منجر به کاربردهای مختلف شده است. چاپ پذیری خوب، تبدیل آسان آن به اشکال مختلف از جمله دیگر مزایای این فیلم میباشد. از پلیلاکتیک اسید میتوان به صورت فیلم، کف و فیبر استفاده نمود. از جمله تکنولوژیهای موجود برای تولید این فیلم میتوان به روشهای همچون: اکستروژن، قالبگیری دمیدنی، کششی، قالبگیریمحلولی، شکلگیری حرارتی، تشکیل کف، مخلوط کردن و ترکیب آن ها اشاره نمود( آراس و همکاران، ۲۰۰۴).
جدول (۲-۱) : ویژگی های شیمیایی پلی لاکتیک اسید (نامپوتیری و همکاران، ۲۰۱۰؛ سودرگارد و استولت، ۲۰۰۲)
۲-۶-۳-۲- محدودیت پلی لاکتیک اسید
با وجود مزایای بسیار PLA در مقایسه با سایر پلیمرها، استفاده آن در صنعت و رقابت با پلیمرهای صنعتی با چند چالش اصلی روبرو است، که از آن جمله می توان به نفوذ پذیری زیاد نسبت به بخارآب و گازها، دمای انتقال شیشه ای(Tg) پایین، پایداری گرمایی ضعیف، ترد و شکننده بودن اشاره کرد. برای غلبه بر این مشکلات می توان از راهکارهایی چون استفاده از نرم کننده های مناسب، ترکیب با سایر پلیمرها، بهینه سازی شرایط تبلور و استفاده از نانو ذرات و تولید نانوکامپوزیت برای بهبود خواص پلیمرها استفاده کرد (داداشی، ۱۳۹۱).