پژوهشکده­ی فرایند

تهیه ترموپلاستیک الاستومرهای استایرنی اصلاح شده با نشاسته و بررسی خواص مکانیکی و زیست تخریب پذیری آن

پایان­نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی صنایع پلیمر (صنایع پلیمر)

 

 

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه   ۲

۱-۱- الاستومرهای گرمانرم (TPE)   ۲

۱-۱-۱- ساختار فازی …………………………………………………………………………………………………   ۴

۱-۱-۲- مزایا و معایب ………………………………………………………………………………………………..   ۵

۱-۱-۳- خواص ……………………………………………………………………………………………………..   ۷

۱-۱-۴-کاربردها …………………………………………………………………………………………………….   ۹

۱-۲- کوپلیمرهای دسته­ای استایرنی   ۱۰

۱-۲-۱-                                                                                                                              ساختار ……………………………………………………………………………………………………   ۱۰

۱-۲-۲-                                                                                                                              سنتز و تولید…………………………………………………………………………………………………………..   ۱۱

۱-۲-۳-                                                                                                                              مورفولوژی   ۱۵

۱-۲-۴-                                                                                                                              وزن مولکولی بحرانی برای تشکیل محیطها   ۱۵

۱-۳- نشاسته   ۱۶

۱-۳-۱-                                                                                                                              ترکیب و ساختار نشاسته…………………………………………………………………………………………….   ۱۶

۱-۳-۲-                                                                                                                              کاربرد نشاسته در تولید زیست پلاستیکها……………………………………………………………………..   ۲۱

۱-۳-۳-                                                                                                                              تولید فیلم نشاسته…………………………………………………………………………………………………….   ۲۴

فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده   ۲۹

۲-۱-  طبقه بندی پلیمرهای تخریب پذیر بر اساس ساز و کار تخریب   ۲۹

۲-۱-۱-…. پلیمرهای زیست تخریب پذیر ……………………………………………………………………….  ۲۹

۲-۱-۲-…. پلیمرهای قابلیت کمپوست شدن  ۳۰

۲-۱-۳-…. زیست تخریب پذیر هیدرولیزی  ۳۰

۲-۱-۴-…. زیست تخریب پذیر نوری   ۳۰

۲-۱-۵-…. فرسایش پذیر زیستی   ۳۰

۲-۱-۶-…. زیست تخریب پذیر اکسایشی  ۳۱

۲-۲- طبقه بندی پلیمرهای تخریب پذیر بر اساس منشاء   ۳۱

۲-۲-۱-…. پلیمرهای با منشاء طبیعی  ۳۱

۲-۲-۲-      پلیمرهای تولید شده توسط میکرو ارگانیسم ها  ۳۱

۲-۲-۳-                                                                                                                              تهیه ی آمیزه های زیست تخریب پذیر بر پایه ی نشاسته………………………………………………….    ۳۲

۲-۲-۴- پلاستیک های کاملا تجزیه پذیر……………………………………………………………………………………   ۳۴

۲-۳- عوامل تخریب پلیمرها   ۳۵

۲-۳-۱-                                                                                                                              تخریب مکانیکی……………………………………………………………………………………………………..   ۳۵

۲-۳-۲-                                                                                                                              تخریب شیمیایی……………………………………………………………………………………………………..   ۳۵

۲-۳-۳-                                                                                                                              تخریب نوری…………………………………………………………………………………………………………   ۳۵

۲-۳-۴-                                                                                                                              تخریب گرمایی………………………………………………………………………………………………………   ۳۶

۲-۳-۵-                                                                                                                              تخریب میکروبی…………………………………………………………………………………………………….   ۳۶

۲-۴- روش های استاندارد بررسی زیست تخریب پذیری   ۳۸

۲-۴-۱-                                                                                                                              طیف سنجی FTIR   ۳۸

۲-۴-۲-                                                                                                                              اندازه گیری کاهش وزن در آزمون تدفین در زیر خاک………………………………………………….   ۴۰

۲-۴-۳-                                                                                                                              تغییرات در خواص مکانیکی………………………………………………………………………………………   ۴۱

۲-۴-۴- میکروسکوپ الکترونی پویشی…………………………………………………………………………………….   ۴۱

۲-۴-۵- سایر روش ها…………………………………………………………………………………………………………..   ۴۲

۲-۵- روشهای اصلاح نشاسته   ۴۳

۲-۵-۱-                                                                                                                              اصلاح نشاسته با استفاده از رآکتورهای  پیوسته یا نا پیوسته………………………………………………   ۴۳

۲-۵-۲-                                                                                                                              اصلاح نشاسته با استفاده از اکستروژن…………………………………………………………………………..   ۴۴

۲-۶- اصلاح نشاسته توسط واکنش گرهای مختلف   ۴۵

۲-۶-۱-              اپوکسیدها…………………………………………………………………………………………………   ۴۵

۲-۶-۲-                                                                                                                              لاکتونهای حلقوی…………………………………………………………………………………………………….   ۴۹

۲-۶-۳-                                                                                                                              کربوکسیلیک اسیدها…………………………………………………………………………………………………   ۵۱

۲-۶-۴-                                                                                                                              استری کردن با آلکیل هالیدها……………………………………………………………………………………..   ۵۱

۲-۶-۵-                                                                                                                              استری کردن با وینیل استرها……………………………………………………………………………………….    ۵۲

۲-۶-۶-              انیدریدها……………………………………………………………………………………………………………….   ۵۳

فصل سوم: تجربی   ۲۹

۳-۱- مواد   ۲۹

۳-۲- روش تهیه آمیزه­ها   ۲۹

۳-۳- آزمون­ها   ۲۹

۳-۳-۱- اندازه گیری درجه استخلاف  ۶۲

۳-۳-۲-آزمون تفرق اشعه ایکس با زاویه باز (WXRD)  ۶۲

۳-۳-۳-آزمون کشش  ۶۲

۳-۳-۴-…. آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی  ۶۳

۳-۳-۵-…. تجزیه گرمایی مکانیکی- دینامیکی  ۶۴

۳-۳-۶- طیف سنجی مادون قرمز  ۶۲

۳-۳-۷-آزمون زیست تخریب پذیری  ۶۲

فصل چهارم: نتایج و بحث ………………………………………………………………………………………………….   ۶۶

۴-۱- بررسی واکنش اصلاح نشاسته……………………………………………………………………………………………….۶۶

۴-۱-۱- طیف سنجی FTIR: …………………………………………………………………………………………….66

4-1-2- اندازه گیری درجه استخلاف MTPS: ……………………………………………………………………70

4-2-  بررسی ریز ساختار نشاسته، TPS و MTPS  ۷۰

۴-۲-۱- الگوی پراش اشعه X…………………………………………………………………………………70

4-3- خواص مکانیکی آمیزه­ها: ………………………………………………………………………………………………………۷۲

۴-۳-۱- استحکام کششی: …………………………………………………………………………………………………۷۴

۴-۳-۲- مدول یانگ: ………………………………………………………………………………………………………۷۵

۴-۳-۳- ازدیاد طول در پارگی: …………………………………………………………………………………………..۷۶

۴-۴- مورفولوژی ……………………………………………………………………………………………………………   ۷۷

۴-۵- بررسی اثر اصلاح نشاسته بر امتزاج پذیری آمیزههای SEPS-TPS:   ۸۰

۴-۵-۱- بررسی نتایج آنالیز دینامیکی-مکانیکی………………………………………………………….. ۸۱

۴-۵-۲-میکروسکوپ الکترون پویشی……………………………………………………………………. ۸۵

۴-۵-۳- بررسی امتزاج پذیری آمیزه­ها با استفاده از مون کشش……………………………………… ۸۷

۴-۶- بررسی زیست تخریب پذیری آمیزه­ها در محیط لجن فعال   ۹۰

۴-۶-۱- اندازه­گیری افت وزن نمونه­ها…………………………………………………..   ۹۰

۵-۱- نتیجه گیری…………………………………………………..   ۹۳

مراجع………………………………………………………   ۹۵

 

 

 

فهرست شکل­ها

شکل۱- ۱-  سمت راست: ترکیب فازی پلیمر سخت/ الاستومر و سمت چپ: ترکیب فازی پلیمر سخت/ الاستومر که در آن فاز الاستومری به طور دینامیکی ولکانیزه شده است.   ۵

شکل۱- ۲-تغییرات مدول خمشی الاستومرهای گرمانرم با دما    ۶

شکل۱- ۳- ساختار فازی کوپلیمرهای پیوندی پلی(استایرن-بلاک-الاستومر-بلاک-استایرن).   ۱۱

شکل۱- ۴- ساختار شیمیایی انواع مختلفی از الاستومرهای گرمانرم استایرنی   ۱۴

شکل۱- ۵- ساختار آمیلوز خطی.   ۱۷

شکل۱- ۶- ساختار آمیلوپکتین شاخه دار.   ۱۸

شکل۱- ۷- طرح واره ساختار گرانول نشاسته، نمایش آمورف و نیمه بلوری در گرانول(الف)، ساختار داخلی قسمت نیمه بلوری(ب) و تطابق آن با قسمتهای خطی و شاخهای آمیلوپکتین(ج).   ۲۱

شکل۱- ۸- انتقالات فازی نشاسته طی فرایند حرارتی و پیرشدگی.   ۲۶

شکل۲- ۱مراحل ژلاتینی شدن نشاسته.   ۳۴

شکل۲- ۲- طرح واره ی حمله میکروارگانیسم ها به مولکول های قند پیوند خورده به پلی استایرن.   ۳۷

شکل۲- ۳- طرح واره ای از عوامل موثر در تخریب پلیمرها.   ۳۸

شکل۲- ۴ طیف FTIR فیلم های پلی اتیلن محتوی ۳/۰ درصد وزنی کبالت استئارات قبل و بعد از آمایش حرارتی و نوری.   ۳۹

شکل۲- ۵ در صد افت وزن فیلم های پلی اتیلنی در آزمون تدفین زیر خاک.   ۴۰

شکل۲- ۶ تصاویر SEM آمیزه پلی اتیلن با ۳۰ در صد وزنی  نشاسته، قبل و بعد از قرار دادن در محیط کشت قار.   ۴۱

شکل۲- ۷ هیدروکسی پروپیل کردن نشاسته با پروپیلن اکساید در حضور کاتالیزور بازی.   ۴۵

شکل۲- ۸هیدروکسی پروپیل کردن نشاسته با پروپیلن اکساید در غیاب کاتالیزور بازی   ۴۶

شکل۲- ۹ واکنش پروپیلن اکساید با نشاسته.   ۴۷

شکل۲- ۱۰ واکنش اصلاح نشاسته و تشکیل نشاسته کاتیونی.   ۴۸

شکل۲- ۱۱ اصلاح شیمیایی نشاسته توسط کاپرولاکتون.   ۴۹

شکل۲- ۱۲واکنش اصلاح نشاسته با فرمیک اسید.   ۵۰

شکل۲- ۱۳ تشکیل نشاسته کر بوکسی متیل شده توسط واکنش با مونو کلرو استاتها   ۵۱

شکل۲- ۱۴ نشاسته اصلاح شده توسط وینیل استات.   ۵۲

شکل۲- ۱۵ واکنش دی استیل شدن نشاسته.   ۵۲

شکل۲- ۱۶ هیدرولیز وینیل استات در حضور کاتالیزور بازی   ۵۲

شکل۲- ۱۷ واکنشهای شیمیایی در طول استری شدن نشاسته با انیدرید غیر حلقوی.   ۵۳

شکل۲- ۱۸ الگوی پراش اشعه x برای(a)نشاسته ذرت طبیعی، (b)نشاسته گرمانرم و (c)نشاسته مالئیک شده.   ۵۴

شکل۲- ۱۹ خواص مکانیکی فیلمهایی از آمیزه نشاسته مالئیک شده با پلی بوتیلن ادیپات ترفتالات: (الف)استحکام کششی و (ب)ازدیاد طول در شکست.   ۵۶

شکل۳- ۱- پرس گرم   ۵۸

شکل۳- ۲- نمایی از دستگاه تفرق اشعه ایکس با زاویه بالا   ۶۰

شکل۳- ۳- نمایی از دستگاه کشش   ۶۱

شکل۳- ۴- نمایی از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی   …………………………………………………………۶۲

شکل۴- ۱- واکنش احتمالی اصلاح نشاسته توسط مالئیک انیدرید.. ۶۶

شکل۴- ۲- طیف FTIR مربوط به (الف) نشاسته، (ب) MTPS و (ج) TPS. 67

شکل۴- ۳- الگوی پراش اشعه ایکس برای (الف) نشاسته، (ب) TPS و (ج) MTPS. 69

شکل۴- ۴- منحنی تنش-کرنش SEPS و آمیزههای با ترکیب درصد مختلف از نشاسته.. ۷۰

شکل۴- ۵- نمودار استحکام کششی بر حسب درصد نشاسته.. ۷۲

شکل۴- ۶- نمودار مدول یانگ بر حسب درصد نشاسته.. ۷۳

شکل۴- ۷- نمودار کرنش تا پارگی بر حسب درصد نشاسته.. ۷۴

شکل۴- ۸- عکسهای SEM برای (الف)MTPS%10SEPS/، (ب) MTPS%30SEPS/، (ج) MTPS%40SEPS/ و (د) MTPS%50SEPS/ 76

شکل۴- ۹ توزیع اندازه فاز MTPS. 78

شکل۴- ۱۰- منحنیهای مدول ذخیره و اتلاف بر حسب دما نمونههای (الف) SEPS، (ب) SEPS/50%TPS و (ج) SEPS/50%MTPS. 81

شکل۴- ۱۱- منحنی Tanδ آمیزههای SEPS، SEPS/50%TPS و SEPS/50%MTPS در محدوده دمایی C°۱۲۰- تا C°۱۵۰٫٫ ۸۲

شکل۴- ۱۲- منحنی تغییرات مدول ذخیره نمونههای SEPS، SEPS/50%TPS و SEPS/50%MTPS با دما.. ۸۳

شکل۴- ۱۳- ریزنگار  (الف) آمیزه SEPS/10%MTPS، (ب) SEPS/10%TPS، (ج)  SEPS/30%MTPS و (د) SEPS/30%TPS. 84

شکل۴- ۱۴- استحکام کششی آمیزههای SEPS/MTPS و SEPS/TPS در مقابل درصد نشاسته.. ۸۶

شکل۴- ۱۵- کرنش در شکست آمیزههای SEPS/MTPS و SEPS/TPS در مقابل درصد نشاسته.. ۸۷

شکل۴- ۱۶- مدول ذخیره آمیزههای SEPS/MTPS و SEPS/TPS در مقابل درصد نشاسته.. ۸۷

شکل۴- ۱۷- درصد افت وزن آمیزههای SEPS/MTPS با زمان در آزمون زیست تخریب پذیری در لجن فعال.. ۸۹

شکل۴- ۱۸- درصد افت وزن آمیزههای SEPS/MTPS با درصد MTPS پس از گذشت ۶۰ روز از قرار گرفتن در محیط لجن فعال.. ۹۰

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

جدول۱- ۱- خواص کاربردی الاستومرهای گرمانرم… ۸

جدول۱- ۲- کاربردهای تجاری و رایج برای الاستومرهای گرمانرم مختلف.   ۹

جدول۱- ۳- شکل، اندازه، ترکیب شیمیایی و برخی دیگر از خصوصیات نشاسته در منابع گیاهی مختلف… ۲۰

جدول۱- ۴- درصد آمیلوز و آمیلوپکتین در سه نوع نشاسته ذرت، مانیوک و سیب زمینی… ۲۷

جدول۲- ۱- مقایسه خواص پلی هیدروکسی بوتیراتها با پلیمرهای مرسوم.   ۳۲

جدول۲- ۲- مقایسه خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرهای زیست تخریب پذیر و مصنوعی… ۳۴

جدول۲- ۳-نتایج مقایسه آزمون کشش قبل و بعد آزمون کشت قارچ… ۴۱

جدول۳- ۱- ترکیب درصد اجزاء در آمیزهها.. ۶۱

جدول۴- ۱- خواص مکانیکی آمیزهها با ترکیب درصد مختلف از نشاسته   ۷۳

جدول۴- ۲- اندازه حفرات MTPS در آمیزههای SEPS/MTPS. 80

جدول۴- ۳- دمای انتقال شیشهای SEPS، SEPS/50%TPS و SEPS/50%MTPS… 84

جدول۴- ۴- نتایج آزمون کشش آمیزههای SEPS/MTPS و SEPS/TPS. 87

جدول۴- ۵- درصد افت وزن آمیزهها پس از هر دوره ی زمانی مشخص شده در آزمون زیست تخریب پذیری در لجن فعال.. ۹۱

 

 

چکیده

امروزه استفاده از نشاسته در صنایع بسته بندی و ساخت محصولات زیست تخریب پذیر اهمیت زیادی پیدا کرده است. در این تحقیق اصلاح شیمیایی نشاسته ذرت طبیعی به منظور بهبود فرآیند پذیری توسط واکنش نشاسته گرمانرم (TPS) با مالئیک انیدرید (MA) در مخلوط کن داخلی صورت گرفت. نشاسته گرمانرم مالئیک دار شده (MTPS) برای تهیه آمیزه­های SEPS/MTPS با ترکیب درصد­های ۱۰، ۳۰،۴۰ و۵۰ درصد وزنی از MTPS در مخلوط کن داخلی مورد استفاده قرار گرفت. اصلاح شیمیایی نشاسته با استفاده از آزمون FTIR تایید شد. درجه استخلاف (DS) MTPS نیز با استفاده از تیتراسیون محاسبه گردید. خواص  مکانیکی، مورفولوژی، دینامیکی – مکانیکی و زیست تخریب پذیری آمیزه­های SEPS/MTPS مورد ارزیابی قرار گرفت و با خواص آمیزه­های SEPS/TPS مقایسه شد. اصلاح شیمیایی نشاسته  سبب باز شدگی نواحی بلوری MTPS در مقایسه با نشاسته ذرت طبیعی و نفوذ بهتر SEPS در MTPS نسبت به TPS شد. این نتایج به ترتیب توسط آزمون­های الگوی پراش اشعه X (XRD ) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) ثابت شد. باز شدگی لایه­های بلوری MTPS، بهبود خواص مکانیکی آمیزه­های SEPS/MTPS نسبت به SEPS/TPS را نتیجه داد. زیست تخریب پذیری آمیزه­های SEPS/MTPS با ترکیب درصد­های ۱۰، ۳۰، ۴۰ و ۵۰ در صد وزنی از MTPS توسط قرار دادن آن­ها به مدت دو ماه در لجن فعال بررسی شد. نتایج نشان داد در آمیزه­هایی با درصد MTPS بالای %۳۰ وزنی میزان تخریب آمیزه­ها به طور قابل توجهی افزایش یافت به طوری که در آمیزه MTPS%50SEPS/ بعد از گذشت ۴۵ روز حدود %۴۷ از نمونه تخریب شد.

 

12000 تومان – خرید