تاثیر پارامترهای مختلف برروی قطر و ساختار الیاف نانو الکتروریسی شده استات سلولز پلی اتیلن اکساید

نویسندگان
پانته آ صالحی زاده 1
مسعود تقی زاده 2
زهرا امام جمعه 3
1 گروه علوم و صنایع غذایی، ، دانشکده دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 استادیار، گروه علوم و صنایع غذایی، ، دانشکده دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
3 استاد، گروه علوم و صنایع غذایی دانشکده دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی دانشگاه تهران
10.52547/fsct.19.124.371
چکیده
هدف از این پژوهش، تولید الیاف نانو الکتروریسی شده از پلیمرهای پلی اتیلن اکساید (PEO) / استات سلولز (CA) با استفاده از محلول اسید استیک غلیظ به عنوان یک حلال غیر سمی می باشد. در این محلول، PEO/CA با نسبتهای 2-5/1-1 (٪wt)، اگزالات آمونیوم 3٪ (w/w) و سورفکتانت سدیم دودسیل سولفات (SDS) 3- 5/0-1 (w/w٪) بکاررفته است. غلظت نهایی پلیمرها در محلول 7٪ (w/v) می باشد. تاثیر نسبتهای مختلف پلیمرو سورفکتانت بر روی قطر، استحکام کششی، طول درنقطه تسلیم و پاره گی و تخلخل توسط روش سطح پاسخ طرح مرکب مرکزی (RSM-CCRD) به منظور بهینه سازی الیاف نانو الکتروریسی شده (ENFs) بررسی گردیده.نتایج تحلیل رگرسیون مرکب نشان دادند که خصوصیات محلول و مورفولوژی ENFs به شدت تحت تأثیرنسبتهای CA/PEO و SDS قرارگرفته اند. افزایش مقدارکمک پلیمرPEO باعث افزایش ویسکوزیته می شود، که تابعی از وزن مولکولی است و در نتیجه با درهم آمیختگی محلول پلیمر، قطر الیاف افزایش می یابد. افزایش میزان SDS با کاهش کشش سطحی باعث کاهش اندازه قطر الیاف نانو و افزودن اگزالات آمونیوم باعث بهبود هدایت الکتریکی (EC) می گردد. قطر ENFs تشکیل شده 163-96 نانومتر می باشد. بهینه کلی در سطح ترکیبی CA/PEO 2٪ و SDS 5/1٪ می باشد. مدلهای چند جمله ای مرتبه دوم با 97/0-86/0= R2 با استفاده از تجزیه و تحلیل مکعبی توسعه داده شدند. قطر و مورفولوژی ENFs به طور قابل توجهی تحت تأثیر قطر، تخلخل، استحکام کششی و طول درنقطه تسلیم و پاره گی (0001/0>P) قرار دارد و به ترتیب در نقطه بهینه nm99، 17/54، N/mm2017/0 و mm 5 می باشند. بیشتر ENFs یکنواخت و بدون مهره با مکان های فعال و مقاومت مکانیکی بالا قادرند در زمینه های مختلف بکارروند.
کلیدواژه‌ها
الکتروریسی- نانوالیاف- استات سلولز
پلی اتیلن اکساید- سورفکتانت

موضوعات

عنوان مقاله English

Effect of parameters on fiber diameters and the morphology of hybrid electrospun cellulose acetate/chitosan/poly (ethylene oxide) nanofibers

نویسندگان English

Pantea Salehizadeh 1
Masoud Taghizadeh 2
Zahra Emam-Djome 3
1 Department of Food Science and Technology, Ferdowsi University of Mashhad (FUM), P.O. Box: 91775-1163, Mashhad, Iran.
2 Department of Food Science and Technology, Ferdowsi University of Mashhad (FUM), P.O. Box: 91775-1163, Mashhad, Iran.
3 Transfer Phenomena Laboratory (TPL), Department of Food Science, Technology and Engineering, Faculty of Agricultural Engineering and Technology, University College of Agriculture and Natural Resources, University of Tehran
چکیده English

The mixture of cellulose acetate (CA), and poly (ethylene oxide) was electrospun into Nanofibrous webs using an acetic acid solution. The impact of cellulose acetate (CA)/ polyethylene oxide (PEO) ratio (1, 1.5, 2 wt %), sodium dodecyl sulfate (SDS) (0, 1.5, 3%, w/w) and ammonium oxalate (3%, w/w) on the diameter, tensile strength, elongation and porosity (PO) of the Electrospun Nano-fibers (ENFs) were enhanced applying response surface methodology-central composite rotatable design (RSM-CCRD). The ENFs were formed of non-woven fibers with a maximum diameter of 163 nm. Second-order polynomial models with high R2 values (0.86–0.97) were developed using Cubic analysis. The outcome revealed that the ENFs morphology and diameter were noticeably affected by CA, PEO, and SDS. The overall optimum condition was identified to be at the compounded level of CA to PEO ratio of 2 wt % and SDS content of 3% (w/v). At the best point, diameter, surface tension, elongation, and porosity of the fabricated electrospun nanofibers (ENFs) were 99 nm, 0.017 N/mm2, 5 mm and 17.54 respectively. The most fabricated ENFs were uniform and bead-free with high active sites and mechanical strength, which could be used in different fields.

کلیدواژه‌ها English

Electrospinning
cellulose acetate
Fiber diameter
morphology
[1] Arayanarakul K, Choktaweesap N, Aht‐ong D, Meechaisue C, Supaphol P. 2006. Effects of poly (ethylene glycol), inorganic salt, sodium dodecyl sulfate, and solvent system on electrospinning of poly (ethylene oxide). Macromolecular Materials and Engineering. 16; 291(6):581-91.
[2] Baek WI, Pant HR, Nam KT, Nirmala R, Oh HJ, Kim I, Kim HY. 2011. Effect of adhesive on the morphology and mechanical properties of electrospun fibrous mat of cellulose acetate. Carbohydrate research. 27; 346(13):1956-61.https://doi.org/10.1016/j.carres.2011.05.025
[3] Broumand A, Emam-Djomeh Z, Khodaiyan F, Davoodi D, Mirzakhanlouei S. 2014. Optimal fabrication of nanofiber membranes from ionized-bicomponent cellulose/polyethyleneoxide solutions. International journal of biological macromolecules. 1; 66:221-8.
[4] Broumand A, Emam-Djomeh Z, Khodaiyan F, Mirzakhanlouei S, Davoodi D, Moosavi-Movahedi AA. 2015. Nano-web structures constructed with a cellulose acetate/lithium chloride/polyethylene oxide hybrid: Modeling, fabrication and characterization. Carbohydrate polymers. 22; 115:760-7.
[5] Demirkan E, Avci T, Aykut Y. 2018. Protease immobilization on cellulose monoacetate/chitosan-blended nanofibers. Journal of Industrial Textiles. 47(8):2092-111.https://doi.org/10.1177/152808
[6] Du J, Hsieh YL. 2009. Cellulose/chitosan hybrid nanofibers from electrospinning of their ester derivatives. Cellulose. 1; 16(2):247-60.
[7] ElMessiry M, Fadel N. 2019. The tensile properties of electrospun Poly Vinyl Chloride and Cellulose Acetate (PVC/CA) bi-component polymers nanofibers. Alexandria Engineering Journal. 1;58(3):885-90.
[8] Fakirov S, editor. 2002. Handbook of thermoplastic polyesters. Wiley-Vch.
[9] Fernandes SC, Freire CS, Silvestre AJ, Pascoal Neto C, Gandini A. 2011. Novel materials based on chitosan and cellulose. Polymer International. 60(6):875-82.
[10] Gharibzahedi SM, Mousavi SM, Khodaiyan F, Hamedi M. 2012. Optimization and characterization of walnut beverage emulsions in relation to their composition and structure. International journal of biological macromolecules. 1; 50(2):376-84.
[11] Ghasemi‐Mobarakeh L, Semnani D, Morshed M. 2007. A novel method for porosity measurement of various surface layers of nanofibers mat using image analysis for tissue engineering applications. Journal of applied polymer science. 15; 106(4):2536-42.
[12] Helbert W, Cavaille JY, Dufresne A. 1996. Thermoplastic nanocomposites filled with wheat straw cellulose whiskers. Part I: processing and mechanical behavior. Polymer composites. 17(4):604-11.
[13] Huan S, Bai L, Liu G, Cheng W, Han G. 2015. Electrospun nanofibrous composites of polystyrene and cellulose nanocrystals: manufacture and characterization. RSC Advances. 5(63):50756-66.
[14] Huang W, Xu H, Xue Y, Huang R, Deng H, Pan S. 2012. Layer-by-layer immobilization of lysozyme–chitosan–organic rectorite composites on electrospun nanofibrous mats for pork preservation. Food Research International. 1;48(2):784-91.
[15] Jia L, Qin XH. 2013. The effect of different surfactants on the electrospinning poly (vinyl alcohol) (PVA) nanofibers. Journal of thermal analysis and calorimetry. 1;112(2):595-605.
[16] Kim CW, Kim DS, Kang SY, Marquez M, Joo YL. 2006. Structural studies of electrospun cellulose nanofibers. Polymer. 28;47(14):5097-107.
[17] Kim SJ, Lee CK, Kim SI. 2005. Effect of ionic salts on the processing of poly (2‐acrylamido‐2‐methyl‐1‐propane sulfonic acid) nanofibers. Journal of Applied Polymer Science. 15;96(4):1388-93.
[18] Kriegel C, Arrechi A, Kit K, McClements DJ, Weiss J. 2008. Fabrication, functionalization, and application of electrospun biopolymer nanofibers. Critical reviews in food science and nutrition. 25; 48(8):775-97.
[19] Lee KY, Jeong L, Kang YO, Lee SJ, Park WH. 2009. Electrospinning of polysaccharides for regenerative medicine. Advanced drug delivery reviews. 5; 61(12):1020-32.
[20] Liu Y, Chen JY. 2016. Enzyme immobilization on cellulose matrixes. Journal of Bioactive and Compatible Polymers. 31(6):553-67.
[21] Liu, H., & Hsieh, Y. L. 2002. Ultrafine fibrous cellulose membranes from electrospinning of cellulose acetate. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 40(18), 2119-2129.
[22] Reneker DH, Yarin AL, Fong H, Koombhongse S. 2000. Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning. Journal of Applied physics. 1;87(9):4531-47.
[23] Sundarrajan S, Tan KL, Lim SH, Ramakrishna S. 2014. Electrospun nanofibers for air filtration applications. Procedia Eng. 1; 75:159-63.
[24] Tan EP, Ng SY, Lim CT. 2005. Tensile testing of a single ultrafine polymeric fiber. Biomaterials. 1; 26(13):1453-6.
[25] Tarus B, Fadel N, Al-Oufy A, El-Messiry M. 2016. Effect of polymer concentration on the morphology and mechanical characteristics of electrospun cellulose acetate and poly (vinyl chloride) nanofiber mats. Alexandria Engineering Journal. 1; 55(3):2975-84.
[26] Wongsasulak S, Patapeejumruswong M, Weiss J, Supaphol P, Yoovidhya T. 2010. Electrospinning of food-grade nanofibers from cellulose acetate and egg albumen blends. Journal of Food Engineering. 1;98(3):370-6.
[27] Zhang L, Hsieh YL. 2008. Ultra-fine cellulose acetate/poly (ethylene oxide) bicomponent fibers. Carbohydrate Polymers. 24; 71(2):196-207.