Μελέτη επίδρασης νανοκυτταρίνης στις ιδιότητες υδρόφιλων, βιοδιασπώμενων πολυμερών ως υποσχόμενων νέων συσκευασιών τροφίμων
Loading...
Date
2025
Authors
Κακαβά, Βασιλική
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η συνεχώς αυξανόμενη περιβαλλοντική επιβάρυνση από τη χρήση συμβατικών πλαστικών συσκευασίας έχει στρέψει το ερευνητικό ενδιαφέρον προς την ανάπτυξη υλικών πιο φιλικών προς το περιβάλλον, που συνδυάζουν βιωσιμότητα και λειτουργικότητα. Η πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA) αποτελεί ένα πολυμερές με καλή βιοσυμβατότητα και βιοαποικοδομησιμότητα, το οποίο έχει μελετηθεί εκτενώς για εφαρμογές συσκευασίας τροφίμων. Ωστόσο, η έντονα υδρόφιλη φύση του περιορίζει την αντοχή του σε υδατικά περιβάλλοντα, τις μηχανικές του ιδιότητες, καθώς και τις αντίστοιχες ιδιότητες φραγής, καθιστώντας αναγκαία τη βελτίωση των χαρακτηριστικών του μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων.
Σε αυτό το πλαίσιο, η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη νανοσύνθετων μεμβρα-νών PVA ενισχυμένων με νανοκρυστάλλους κυτταρίνης (CNC) και λιγνοκυτταρίνη (LC), δύο βιοπολυμερή, φιλικά προς το περιβάλλον. Κύριος στόχος είναι η διερεύνηση της επίδρασης του είδους και της περιεκτικότητας των εγκλεισμάτων στη δομή και στις ιδιότητες των μεμβρανών. Για τη συνολική αξιολόγηση των νανοσύνθετων μεμβρανών αξιοποιήθηκε ένα ευρύ φάσμα πειραματικών τεχνικών. Η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) ανέδειξε τη μορφολογία και τον βαθμό διασποράς των εγκλεισμάτων στη μήτρα της PVA, ενώ η φασματοσκοπία ATR-FTIR επιβεβαίωσε τις μοριακές αλληλεπιδράσεις με τα εγκλείσματα και υπέδειξε πιθανές μεταβολές της κρυσταλλικότητας. Η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) αποτέλεσε την κύρια τεχνική για τον ποσοτικό προσδιορισμό του βαθμού κρυσταλλικότητας και την αποτίμηση αλλαγών στη διάταξη της πολυμερικής μήτρας, με τη Διαφορική Θερμι-δομετρία Σάρωσης (DSC) να προσφέρει συμπληρωματικές πληροφορίες για την κρυσταλλικότητα και την κινητικότητα των αλυσίδων μέσω της ανάλυσης των χαρακτηριστικών θερμοκρασιών (Tm, Tg) και της ενθαλπίας τήξης (ΔHm). Η λειτουργική συμπεριφορά των μεμβρανών διερευνήθηκε με μετρήσεις διόγκωσης σε υδατικά και υδατοαλκοολικά περιβάλλοντα και με καθορισμό του ρυθμού διαπερατό-τητας υδρατμών (WVTR) και αερίων (CO₂, O₂, N₂), οι οποίες ανέδειξαν την ενίσχυση των ιδιοτήτων φραγής. Τέλος, οι δοκιμές εφελκυσμού (YM, TS, EAB) παρείχαν μια ολοκληρωμένη εικόνα της μηχανικής συμπεριφοράς των μεμβρανών.
Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η ενσωμάτωση CNC και LC στη μήτρα της PVA επέφερε σημαντικές μεταβολές στις δομικές, θερμικές, φραγικές και μηχανικές ιδιότητες των μεμβρανών. Σε χαμηλά ποσοστά εγκλεισμάτων (1%), και τα δύο υλικά οδήγησαν σε αύξηση της κρυσταλλικότητας, και σταθεροποίηση της δομής μέσω δεσμών υδρογόνου με τη μήτρα PVA, ενώ οι μεμβράνες εμφάνισαν καλή ομοιογένεια. Ιδιαίτερα οι CNC ευνόησαν την ομοιόμορφη διασπορά, ενισχύοντας τη μεταφορά τάσης και προσδίδοντας έναν ισορροπημένο συνδυασμό αντοχής και ελαστικότητας. Αντίθετα, η LC, αν και αύξησε το μέτρο ελαστικότητας του υλικού, οδήγησε σε μείωση της ολκιμότητας, ιδιαίτερα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις. Όσον αφορά στις ιδιότητες φραγής, η ενσωμάτωση νανοκυτταρινών οδήγησε γενικά σε αύξηση του ρυθμού διαπερατότητας υδρατμών, μειώνοντας την ικανότητα φραγμού έναντι της υγρασίας. Παρόλα αυτά, σε χαμηλά ποσοστά φόρτωσης (1% κ.β.) καταγράφηκε μείωση της διαπερατότητας αερίων, ιδιαίτερα για το CO₂, ενώ για τα O₂ και N₂ οι τιμές παρέμειναν κάτω από το όριο ανίχνευσης, γεγονός που υποδεικνύει βελτίωση της ικανότητας φραγμού.
Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η ενσωμάτωση CNC και LC στην PVA προσδίδει στις μεμβράνες δυνατότητα ελεγχόμενης τροποποίησης των χαρακτηριστικών τους, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Η επιλογή του κατάλληλου είδους και ποσοστού νανοενισχυτικού είναι καθοριστική για την επίτευξη ισορροπίας ανάμεσα στη μικροδομή, τη θερμική σταθερότητα, τις ιδιότητες φραγμού έναντι υδρατμών και αερίων, καθώς και του συνόλου των μηχανικών ιδιοτήτων. Η εργασία συμβάλλει στη βαθύτερη κατανόηση της σχέσης δομήςιδιοτήτων στα νανοσύνθετα PVA/CNC και PVA/LC, και αναδεικνύει τα υλικά αυτά ως υποσχόμενες λύσεις για την ανάπτυξη βιώσιμων και αποδοτικών υλικών συσκευασίας τροφίμων.
Description
Keywords
Πολυ(βινυλική αλκοόλη) (PVA), Λιγνοκυτταρίνη (LC), Νανοκρυσταλλική κυτταρίνη, Νανοσύνθετες μεμβράνες, Βιώσιμα υλικά συσκευασίας, Συσκευασία τροφίμων