آخرین پیشرفت ها در مواد با خاصیت سدگری

بسپار/ ایران پلیمر تحقیق برای درک اصول رفتار مواد با خاصیت سد­گری (barrier) هم­چنان برای ارایه بینش­های تازه و تولید مواد جدید ادامه دارد. در این مقاله، جدیدترین پیشرفت­های مواد سدگر آورده شده است. سد­گری گاز یک خاصیت کلیدی ماده است که شامل برهم­کنش فیزیکی و شیمیایی پیچیده است و ممکن است به همین دلیل باشد که هنوز تعداد تحقیق­های بنیادی زیاد­ی در این زمینه ادامه دارد.

محققان در دانشگاه ایالت کارولینای شمالی آمریکا ریخت­شناسی (مورفولوژی) مجموعه لایه به لایه (LBL) تشکیل شده از ذرات رس و بسپار­های برق­ کاف (polyelectrolyte) را مطالعه کرده­اند. ذرات رس، مونتمو­ریلونیت (MMT، نام نوعی رس) بودند، در حالی­که دو بسپار برق­کاف PEI و PET سولفونه شده (PETi نامیده شده) بودند.

نهشت لایه به لایه عمدتا با غوطه ­وری متناوب زیرلایه­ (substrate) در محلول­هایی با بار­های مخالف انجام می­شود که می­­تواند منجر به فیلم­های چندلایه با ضخامت چند نانو­متر (nm) شود.

نمونه­ هایی که با این نوع از پوشش­ها روی پلی­استایرن تهیه می­شوند، تراوایی (permeability) کم در مقابل گاز­هایی هم­چون اکسیژن نشان می­دهند. آزمون با استفاده از روش­هایی مثل میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، پراش­سنجی پرتو ایکس، در­ کمتر از محدوده مشخصی از غلظت MMT در آب یون­زدوده (deionized)، افزایش مقدار میان­افزوده (intercalation) و جهت ­یافتگی برهم­ نهشته چندلایه را نشان می­داد. درحالی­که در بیش از این غلظت، بهبود خاصی در سد­گری گاز چندلایه برهم نهشته دیده نمی­شد.

مقایسه مجموعه لایه به لایه شکل گرفته از دو بسپار برق­کاف نشان داد آن­ها­یی که از بسپار PEI هستند، جهت­گیری بهتر و سطوح منظمی دارند که ممکن است به دلیل برهم­کنش­های قابل توجه PEI با سطوح پولکی­های (platelets) رس نسبت به PETi باشد.

هم­چنین جا­دادن پوشش LBL بین 2 لایه از فیلم­های بسپار می­تواند پوشش بسیار سد­گر را از رشد نقص­هایی که ممکن است در اثر تنش­های سایشی (abrasive) خارجی ایجاد شود، محافظت­کند.

مقاومت به گریس (روغن)

شرکت Nova Chemical خانواده­ای از فیلم­های HDPE بسیار مقاوم در برابر روغن تولید کرده است که آن­ها را متناسب کاربرد­های بسته­بندی مواد­غذایی ساخته است. به عنوان قسمتی از فرایند این شرکت یک روش نیمه کمی برای اندازه­گیری مقدار تراوایی چربی یا روغن ابداع کرده ­است.

به گفته شرکت درحال حاضر امکان توسعه ساختار­های بسته­بندی فیلم PE قابل بازیافت و مقرون­به­صرفه با عملکرد سدگری خوب در برابر روغن با استفاده از بسپار PE که با یاریگر تک­موضعه (single site catalyst) بسپارش شده وجود­ دارد.

در بسته­بندی های پلاستیکی مقاوم در برابر روغن معمولا از بسپار­های با خواص عالی مثل EVOH استفاده می­شود. اما این بسپار­ها بازیافت را دشوار­تر می­­سازد.. شرکت Nova شروع به مطالعه برای دستیابی به بسپارهای PE مقاوم در برابر روغن کرده است و در بخشی از این پروژه روش اندازه­گیری جدیدی را ابداع کرده است.

Nova تعدادی از فیلم­های سه­لایه و نه­لایه از بسپارهای قابل بازیافت و غیرقابل بازیافت شامل مواد بسیار سد­گر نظیر EVOH و هم­چنین بسپار­های HDPE و LLDPE را آزمایش کرد.

این یافته­ها نشان داد برخی از ترکیب­بندی­هایی که فقط دارای پلی­الفین­ها بودند سد­گری قابل مقایسه­ای با EVOH داشتند و آن­هایی که دارای HDPE بودند اثری بسیار قوی نشان دادند.

حفاظت EVOH

شرکت آمریکایی A. Schulman اظهار داشت ساختار­های چندلایه سد­گر می­توانند ساده­تر شوند درصورتی که EVOH (لایه سد­گر اکسیژن) با روش متفاوتی محافظت شود.

EVOH (اتیلن­وینیل الکل) به علت سد­گری خوب اکسیژن، معمولا در ساختار­های سد­­گر استفاده می­شود. با­ این ­حال حساسیت به رطوبت آن باعث می­شود معمولا در یک ساختار چند لایه از خودش محافظت شود که این موضوع ساختن فیلم را پیچیده­تر می­کند.

به جای انجام این کار که معمولا به معنی ساختن حداقل ساختار 5 لایه است، شرکت پیشنهاد کرد که EVOH را با آمیخته بسپاری دیگر محافظت کند. آمیخته­کاری بسپار با بسپار بسیار سد­­گر دیگر، روشی سنتی برای بهبود خاصیت سد­گری گاز یک بسپار است.

این روش با روش­های قبلی متفاوت است. شرکت از یک فرایند پیش­­آمیزه­کاری استفاده کرد تا اطمینان حاصل کند که ریخت­شناسی چند­لایه بعد از ­این­که بسپار در داخل فیلم­های نازک رانشگری (اکسترود) می­شود، شکل می­گیرد. این به دلیل انتخاب آمیزه­ های بسپار (در این مورد EVOH و یک پلی ­الفین بسیار قابل پراکنش با سازگاری مناسب و گرانروی یکسان) است که تضمین می­کند که آن­ها وقتی رانشگری می­شوند، با هم پیوند تشکیل می­دهند.

یک ترکیب به­نام B24 خواص سد­­گری مشابه با فیلم­ های چندلایه می­دهد (شکل 1). این فیلم به­راحتی می­تواند داخل فیلم­ های چندلایه دیگر جاسازی شود.

[EasyDNNGallery|10393|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: تصویر AFM آمیخته B24 رانشگری شده (چپ) که ساختار مشابه با فیلم چندلایه رایج دارد (سمت راست)

عملکرد سد­­گری

فیلم سد­­گر به طور رایج برای بسته­­بندی مواد غذایی تولید شده است، اما هم­چنین می­تواند در فیلم­های کشاورزی برای حفظ گونه­هایی مثل سم­دود (fumigant، ماده‌ای جامد یا مایع که از بخار آن برای از بین بردن آفت‌ها استفاده می‌شود) و مواد شیمیایی دیگر استفاده ­شود.

شرکت Kuraray در همایش فیلم­های کشاورزی گفت که چگونه خواص سد­گری برای فیلم کاملا ناتراوا (TIF،total impermeable film) حیاتی است و این فیلم­ها با اطمینان از این­که بعد از چنده­زنی (dosing) به محیط زیست وارد نمی­شوند، کمک می­کنند استفاده از سم­دود کاهش پیدا کند. برای مثال، متیل برومید به عنوان سم­دود استفاده می­شود (شکل 2)، اما توانایی ازون­کاهی (ozone-depleting) گاهی استفاده از آن را محدود می­کند.

شرکت یک ساختار TIF هفت لایه شامل یک لایه میانی EVOH ارایه کرده است. برای دستیابی به خواص مکانیکی خوب باید لایه EVOH کمتر از 10 درصد کل ساختار باشد. برای مثال، آزمایش­های انجام شده توسط دانشگاه کالیفرنیا نشان داد که فیلم TIF کمک می­­کند تا مقدار نگهداری (retention) خاک متیل یدید را در حدود ppm 2000 پس از 180 ساعت، نگه دارد، این درحالی است که برای فیلم LDPE بعد از یک دوره مشابه ppm 100 بود.

به همین ترتیب فیلم­های بسیار سد­گر می­توانند برای بهبود عملکرد فیلم علوفه­پیچی (silage) (جلوگیری از تخریب مواد غذایی مثل ذرت مرطوب) استفاده شوند. هم­چنین می­تواند از کپک (mould)، آلودگی به حشرات (infestation) و از دست دادن عطر محصولاتی نظیر غلات (grains) جلوگیری کند.

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 190ام ماهنامه بسپار که در نیمه تیرماه منتشر شده است بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد.