การวิเคราะห์โครงสร้างและสมบัติเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชเสริมแรงด้วยคริสตัลเซลลูโลสจาก เส้นใยไผ่

Abstract

การปรับปรุงกระบวนการผลิตเทอร์โมพลาสติกสตาร์ช (Thermoplastic starch, TPS) ให้มี คุณภาพสูง และตอบสนองความต้องการของผู้ใช้งานด้านความทนทานต่อการซึมน้ำและย่อยสลายหลังใช้งาน จึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีด้านวัสดุโบโอนาโนคอมโพสิต (Bionanocomposite) ปัจจุบันการผลิต เทอร์โมพลาสติกสตาร์ชที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติได้รับความสนใจมากขึ้น แต่ยังมีคุณสมบัติบางอย่างที่ต้องปรับปรุง งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาโครงสร้างและสมบัติของคริสตัลเซลลูโลสจากเส้นใยไผ่ และเทอร์โมพลาสติกสตาร์ชที่เสริงแรงด้วยคริสตัลเซลลูโลสจากเส้นใยไผ่่ เพื่อ สร้างเป็นผลิตภัณฑ์รักษ์โลกจากธรรมชาติที่สามารถย่อยสลายได้ ในงานวิจัยนี้เตรียมเซลลูโลสนาโนคริสตัล (CNC) จากเส้นใยไผ่ โดยใช้กระบวนการการเตรียมเส้น ใยไผ่ทำ 3 ขั้นตอน คือ การปรับปรุงพื้นผิวเส้นใยด้วย NaOH 2M การฟอกขาวด้วย 50 เปอร์เซ็นต์ และการสกัด ไฮโดรไลซิสด้วย 50 เปอร์เซ็นต์ H[subscript2]SO[subscript4] จากนั้นนำไปวิเคราะห์โครงสร้างและลักษณะสัณฐานวิทยาของ CNC และนำมา เตรียม Bionanocomposite ด้วยการเพิ่ม CNC ที่มีปริมาณ 0, 2, 4, และ 8 wt. เปอร์เซ็นต์ ลงใน TPS เพื่อศึกษาสมบัติทางกลและทางกายภาพของ TPS ที่เสริมแรงด้วย CNC จากการวิเคราะห์ CNC ด้วยเทคนิค XRD พบว่า CNC ที่ได้มีดัชนีคริสตัลลินิตีสูงถึง 75.72เปอร์เซ็นต์ การ วิเคราะห์ FTIR ยืนยันการมีอยู่ของเซลลูโลสและการกำจัด lignin และ Hemicellulose และสเปกตรัม CP/MAS [superscript13]C NMR ของ CNC พบว่าเป็นแบบ Cellulose type I ผลลัพธ์ที่ได้ยืนยันว่า CNC ที่เตรียมได้นั้น ไม่ได้เปลี่ยนเป็นโครงสร้างเซลลูโลสอื่น ๆ หลังจากกระบวนการไฮโครไลซิส นอกจากนี้การทดสอบ TPS ที่ เสริมแรงด้วย CNC 8wt. เปอร์เซ็นต์ พบว่าสมบัติทางกลและสมบัติทางกายภาพของ TPS/CNC มีค่าสูงที่สุด ทั้งสมบัติ ความแข็งและการต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น 1.8 เท่า และ 3.4 เท่าตามลำดับ ในขณะที่การยืดตัวที่จุดขาด การดูดซึมน้ำ และการบวมตัวของ TPS/CNC ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้การเพิ่มของ CNC ส่งผลต่อสมบัติ การย่อยสลายไม่ต่างกันมากนัก เมื่อครบ 45 วัน TPS/CNC จะเกิดการย่อยสลายหมด แสดงให้เห็นว่า CNC ยึดเกาะกับ TPS ได้ดี และเกิดช่องว่างระหว่างโมเลกุลน้อย เนื่องจาก CNC มีพื้นที่ผิวเยอะการกระจายตัวได้ดี ใน TPS จึงทำให้มีสมบัติทางกลและทางกายภาพที่ดี สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในงานบรรจุภัณฑ์อาหารแห้งที่ ย่อยสลายตามธรรมชาติได้

The improvement of the production process of thermoplastic starch (TPS) to achieve high quality and meet the demands for water resistance and biodegradability is essential. Therefore, the development of bio- nanocomposite material technology is necessary. Currently, there is a growing interest in environmentally friendly TPS production that can naturally degrade. However, there are still some properties that need improvement. This research aims to study the structure and properties of crystalline cellulose from bamboo fibers and TPS reinforced with crystalline cellulose from bamboo fibers to create environmentally friendly products that are capable of natural degradation.In this research, cellulose nanocrystals (CNC) were prepared from bamboo fibers using a three-step process: surface modification of the fibers with NaOH 2M, bleaching with 50 percent H[subscript2]O[subscript2], and hydrolysis with 50 percent H[subscript2]SO[subscript4]. The obtained CNC was then analyzed for its structural and morphological characteristics. Subsequently, bionanocomposites were prepared by incorporating CNC at concentrations of 0, 2, 4 and 8 wt.% into thermoplastic starch (TPS) to investigate the mechanical and physical properties of TPS reinforced with CNC. The analysis of CNC using the XRD technique revealed a high crystallinity index of up to 75. 72 percent. FTIR analysis confirmed the presence of cellulose and the removal of lignin and hemicellulose. Additionally, CP/MAS [superscript13]C NMR spectroscopy identified the CNC as Cellulose type I, indicating no structural change post- hydrolysis. Furthermore, the testing TPS reinforced with 8wt. percent CNC exhibited the highest mechanical and physical properties, with a respective increase of 1.8 and 3.4 times in stiffness and tensile strength. Meanwhile, elongation at break, water absorption, and swelling of TPS/CNC significantly decreased. Moreover, biodegradation testing revealed complete degradation of TPS/CNC within 45 days, indicating strong adhesion between CNC and TPS, facilitated by the abundant surface area of CNC molecules, leading to favorable mechanical and physical properties suitable for biodegradable dry food packaging applications.