بهینه‌سازی خواص مکانیکی و نوری نانوکامپوزیت‌های بر پایه پلی‌وینیل الکل به‌منظور بسته‌بندی مواد غذایی

مجله پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران

مقاله 7، دوره 17، شماره 2 - شماره پیاپی 68، خرداد و تیر 1400، صفحه 299-313   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/ifstrj.2020.39268

نویسندگان

مریم زمانیان¹؛ حسن صدرنیا^{* 1}؛ مهدی خجسته پور¹؛ فرشته حسینی²؛ جولز تیبالت³

¹گروه مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران.

²سازمان جهاد دانشگاهی خراسان رضوی

³گروه مهندسی شیمی، دانشگاه اتاوا، اتاوا، آنتاریو، کانادا

چکیده

در این پژوهش، برای بهبود ویژگی‌های فیلم‌های بر پایه پلی‌وینیل الکل (PVA) از دو نوع نانوذره دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) (۱و۲ درصد وزنی) و مونت موریلونیت (MMT) (۲و ۴ درصد وزنی) به‌صورت توأم استفاده گردید و سپس تأثیر این دو نانوذره بر خواص مکانیکی (مدول یانگ و مقاومت کششی)، ویژگی‌های رنگ (تفاوت رنگ‌سنجی کل و ضریب سفیدی) و میزان عبور نور در فیلم‌ها توسط روش سطح پاسخ (RSM) موردبررسی قرار گرفت. جهت تعیین مشخصات فیلم‌ها از تکنیک‌های مختلفی نظیر پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد. الگوهای پراش X نشان دادند که نانوذرات به‌خوبی در ماتریس پلیمر پخش شده‌اند و ریزساختار فیلم‌های PVA/TiO₂ و PVA/MMT از نوع لایه‌لایه می‌باشد. همچنین میکروگراف‌های SEM توزیع خوبی از نانوذرات را در غلظت کم نشان دادند، درحالی‎که در غلظت‌های بالا تجمع نانوذرات مشاهده شد. در این پژوهش اثر خطی نانوذرات MMT و اثر متقابل TiO₂ و MMT بر مقاومت کششی معنی‌دار بود (۰۵/۰>P)، درحالی‌که اثر خطی، درجه دوم و اثر متقابل هر دو نانوذره بر مدول یانگ معنی‌دار بود (۰۱/۰>P) و در حالت کلی مقادیر بهینه TiO₂ و MMT به‌ترتیب ۱% و ۴% برای خواص مکانیکی به‌دست آمد. همچنین وجود هردو نانوذره در ماتریس پلیمر بر میزان عبور نور از فیلم و ΔE مؤثر و معنی‌دار بود (۰۱/۰>P). با بررسی سفیدی فیلم‌ها فیلم نانوکامپوزیتی با ترکیب ۲% از TiO₂ و ۴% از MMT از نظر ظاهری سفیدتر از سایر نمونه‌ها و در حقیقت کدرتر گزارش شد. با بررسی نتایج مختلف آزمایشگاهی و تحلیل آن‌ها با روش سطح پاسخ نمونه بهینه از نظر خواص مکانیکی و فیزیکی نمونه‌ای با TiO₂ ۵/۰% و MMT ۴%  پیشنهاد شد.

کلیدواژه‌ها

نانو کامپوزیت؛ پلی‌وینیل الکل؛ بسته‌بندی مواد غذایی؛ دی‌اکسید تیتانیوم؛ مونت موریلونیت

مراجع

ابوالقاسمی فخری، ل.، قنبر زاده، ب.، دهقان نیا، ج. و انتظامی، ع. ا. ، ۱۳۹۰. اثر مونت موریلونیت و نانوبلور سلولوز بر خواص فیزیکی فیلم‌های آمیخته کربوکسی متیل سلولوز-پلی وینیل الکل. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر, شماره ۶، صفحات 455-466.

Abdollahi, M., Alboofetileh, M., Rezaei, M., & Behrooz, R. 2013. Comparing physico-mechanical and thermal properties of alginate nanocomposite films reinforced with organic and/or inorganic nanofillers. Food Hydrocolloids, 32(2), 416-424.

Aghili, M. H. S., Emadi, B., Hosseini, F., & Sadrnia, H. 2016. Production of biodegradable edible films from tragacanth gum and determination of their physical and mechanical properties.

Ali, M. H., Kahder, M. M., Al-Saad, K. A., & Al-Meer, S. 2013. Properties of nanoclay PVA composites materials. QScience Connect, 2013(1), 1. Arora, A., & Padua, G. W., 2010. Nanocomposites in food packaging. Journal of food science, 75(1), R43-R49.

Bodaghi, H., Mostofi, Y., Oromiehie, A., Ghanbarzadeh, B., & Hagh, Z. G. 2015. Synthesis of clay–TiO₂ nanocomposite thin films with barrier and photocatalytic properties for food packaging application. Journal of Applied Polymer Science, 132(14).

Chen, H. 1995. Functional properties and applications of edible films made of milk proteins. Journal of dairy science, 78(11), 2563-2583.

Cheng, L. H., Karim, A. A., & Seow, C. C. 2006. Effects of water‐glycerol and water‐sorbitol interactions on the physical properties of konjac glucomannan films. Journal of food science, 71(2), E62-E67.

Ciprari, D. L. 2004. Mechanical characterization of polymer nanocomposites and the role of interphase. Georgia Institute of Technology.   

Cyras, V. P., Manfredi, L. B., Ton-That, M.-T., & Vázquez, A. 2008. Physical and mechanical properties of thermoplastic starch/montmorillonite nanocomposite films. Carbohydrate polymers, 73(1), 55-63.

Destéfanis, H. A. 2013. Barrier properties and structural study of nanocomposite of HDPE/montmorillonite modified with polyvinylalcohol. Journal of Chemistry, 2013.

El-Shamy, A., Attia, W., & El-Kader, K. A. 2014. The optical and mechanical properties of PVA-Ag nanocomposite films. Journal of Alloys and Compounds, 590, 309-312.

Gharoy Ahangar, E., Abbaspour‐Fard, M. H., Shahtahmassebi, N., Khojastehpour, M., & Maddahi, P. 2015. Preparation and characterization of PVA/ZnO nanocomposite. Journal of food processing and preservation, 39(6), 1442-1451.

Gontard, N., Guilbert, S., & CUQ, J. L. 1993. Water and glycerol as plasticizers affect mechanical and water vapor barrier properties of an edible wheat gluten film. Journal of food science, 58(1), 206-211.

He, Q., Zhang, Y., Cai, X., & Wang, S. 2016. Fabrication of gelatin–TiO₂ nanocomposite film and its structural, antibacterial and physical properties. International journal of biological macromolecules, 84, 153-160.

Hussain, F., Hojjati, M., Okamoto, M., & Gorga, R. E. 2006. Review article: polymer-matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: an overview. Journal of composite materials, 40(17), 1511-1575.

Kaler, V., Pandel, U., & Duchaniya, R. 2018. Development of TiO₂/PVA nanocomposites for application in solar cells. Materials Today: Proceedings, 5(2), 6279-6287.

Kim, S. W. 2008. Preparation and barrier property of poly (vinyl alcohol)/SiO₂ hybrid coating films. Korean Journal of Chemical Engineering, 25(5), 1195-1200.

Kubacka, A., Serrano, C., Ferrer, M., Lünsdorf, H., Bielecki, P., Cerrada, M. L., & Fernández-García, M. 2007. High-performance dual-action polymer− TiO₂ nanocomposite films via melting processing. Nano Letters, 7(8), 2529-2534.

Kumar, P. 2009. Development of bio-nanocomposite films with enhanced mechanical and barrier properties using extrusion processing.

Mahshid, S., Ghamsari, M. S., Askari, M., Afshar, N., & Lahuti, S. 2006. Synthesis of TiO₂ nanoparticles by hydrolysis and peptization of titanium isopropoxide solution. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 9(2), 65-68.

Muratore, G., Nobile, D., Buonocore, G., Lanza, C., & Asmundo, N. 2005. The influence of using biodegradable packaging films on the quality decay kinetic of plum tomato (PomodorinoDatterino). Journal of food engineering, 67(4), 393-399.

Oleyaei, S. A., Almasi, H., Ghanbarzadeh, B., & Moayedi, A. A. 2016a. Synergistic reinforcing effect of TiO₂ and montmorillonite on potato starch nanocomposite films: Thermal, mechanical and barrier properties. Carbohydrate polymers, 152, 253-262.

Oleyaei, S. A., Almasi, H., Ghanbarzadeh, B., & Moayedi, A. A. 2016b. Synergistic reinforcing effect of TiO₂ and montmorillonite on potato starch nanocomposite films: Thermal, mechanical and barrier properties. Carbohydrate polymers, 152, 253-262.

Paralikar, S. A., Simonsen, J., & Lombardi, J. 2008. Poly (vinyl alcohol)/cellulose nanocrystal barrier membranes. Journal of Membrane Science, 320(1-2), 248-258.

Pereda, M., Amica, G., Rácz, I., & Marcovich, N. E. 2011. Structure and properties of nanocomposite films based on sodium caseinate and nanocellulose fibers. Journal of Food Engineering, 103(1), 76-83.

Ren, J., Wang, S., Gao, C., Chen, X., Li, W., & Peng, F. 2015. TiO₂-containing PVA/xylan composite films with enhanced mechanical properties, high hydrophobicity and UV shielding performance. Cellulose, 22(1), 593-602.

Rhim, J.-W. 2011. Effect of clay contents on mechanical and water vapor barrier properties of agar-based nanocomposite films. Carbohydrate polymers, 86(2), 691-699.

Rhim, J.-W., & Ng, P. K. 2007. Natural biopolymer-based nanocomposite films for packaging applications. Critical reviews in food science and nutrition, 47(4), 411-433.

Rouhi, M., Razavi, S. H., & Mousavi, S. M. 2017. Optimization of crosslinked poly (vinyl alcohol) nanocomposite films for mechanical properties. Materials Science and Engineering: C, 71, 1052-1063.

Sapalidis, A. A., Katsaros, F. K., & Kanellopoulos, N. K. 2011. PVA/montmorillonite nanocomposites: development and properties. Nanocomposites and polymers with analytical methods, 29-50.

Siró, I., & Plackett, D. 2010. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose, 17(3), 459-494.

Tang, X. 2008. Use of extrusion for synthesis of starch-clay nanocomposites for biodegradable packaging films. Kansas State University.  

Tang, X., Kumar, P., Alavi, S., & Sandeep, K. 2012. Recent advances in biopolymers and biopolymer-based nanocomposites for food packaging materials. Critical reviews in food science and nutrition, 52(5), 426-442.

Tunç, S., & Duman, O. 2010. Preparation and characterization of biodegradable methyl cellulose/ montmorillonite nanocomposite films. Applied Clay Science, 48(3), 414-424.

Venkatesan, R., & Rajeswari, N. 2017. TiO₂ nanoparticles/poly (butylene adipate‐co‐terephthalate) bionanocomposite films for packaging applications. Polymers for Advanced Technologies.

Xiao-e, L., Green, A. N., Haque, S. A., Mills, A., & Durrant, J. R. 2004. Light-driven oxygen scavenging by titania/polymer nanocomposite films. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 162(2-3), 253-259.

Yan, Q., Hou, H., Guo, P., & Dong, H. 2012. Effects of extrusion and glycerol content on properties of oxidized and acetylated corn starch-based films. Carbohydrate polymers, 87(1), 707-712.

Yang, C.-C., & Lee, Y.-J. 2008. Preparation and characterization of the PVA/MMT composite polymer membrane for DMFC. ECS Transactions, 13(28), 1-20.

Yousefi, A., Savadkoohi, B., Zahedi, Y., Hatami, M., & Ako, K. 2019. Fabrication and characterization of hybrid sodium montmorillonite/TiO₂ reinforced cross-linked wheat starch-based nanocomposites. International journal of biological macromolecules, 131, 253-263.

Zolfi, M., Khodaiyan, F., Mousavi, M., & Hashemi, M. 2014a. Development and characterization of the kefiran-whey protein isolate-TiO₂ nanocomposite films. International journal of biological macromolecules, 65, 340-345.

Zolfi, M., Khodaiyan, F., Mousavi, M., & Hashemi, M. 2014b. The improvement of characteristics of biodegradable films made from kefiran–whey protein by nanoparticle incorporation. Carbohydrate polymers, 109, 118-125.