3-3 عامل‌دار کردن پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر با استفاده از نانومواد
مواد زیست‌تخریب‌پذیر هنگامی که به عنوان بسته بندی مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، محدودیت‌هایی از خود نشان می‌دهند که پیش‌تر نیز به برخی از آن‌ها اشاره شد. یکی از راه‌های نویدبخش برای غلبه بر این محدودیت‌ها و بهبود خواص فیزیکی-شیمیایی آن‌ها عامل‌دار کردن این مواد با مواد نانومتری است (شکل 3).
تحقیقات بسیاری برای بهبود کارایی پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر با استفاده از نانوموادی همچون نانولوله‌های کربنی، نانورس، نانوذرات سلولز و نانوذرات نقره انجام شده است. در ادامه به نانوموادی که جهت بهبود خواص نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اشاره می‌شود:
3-3-1 نانولوله‌های کربنی
اضافه نمودن نانولوله‌های کربنی به پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر علاوه بر بهبود خواص مکانیکی این پلیمرها سبب کاهش نفوذ گاز و بخار آب در این پلیمرها می‌گردد. علاوه بر این با انجام اصلاحات شیمیایی بر روی نانولوله‌های کربنی می‌توان سازگاری آن‌ها را با زمینه پلیمری افزایش داد. ویژگی دیگری که در مورد نانولوله‌های کربنی باید به آن اشاره نمود این است که اضافه نمودن مقادیر بسیار کم از آن به پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر می‌تواند سبب افزایش زیست‌تخریب‌پذیری این کامپوزیت‌ها شود. البته باید به این نکته اشاره نمود که استفاده از نانولوله‌های کربنی در بسته‌بندی مواد غذایی خیلی معمول نیست. چرا که احتمال ایجاد خطر مسمومیت از این مواد برای سلول‌های انسانی وجود دارد. با این وجود هنوز مفید بودن استفاده از نانولوله‌های کربنی برای بسته‌بندی در صنایع غذایی تحت مطالعه و بررسی قرار دارد.
3-3-2 نانورس
یکی از پرکاربردترین نانومواد در بسته بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر نانورس‌های سیلیکاتی است که دارای ساختاری لایه ای می‌باشد. علت اهمیت و کاربرد سیلیکات‌های لایه‌ای را می‌توان در موارد زیر خلاصه نمود:
• دسترسی بسیار آسان
• قیمت پایین
• ایجاد بهبودهای قابل توجه در خواص
• سادگی فرآیندپذیری و اختلاط با پلیمر پایه
این نانوذرات را می‌توان در طی فرآیندهای صنعتی مانند اکستروژن، به پلیمر اضافه نمود. بنابراین می‌توان امکان دستیابی به فیلم‌های بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر در مقیاس صنعتی را به راحتی فراهم آورد. اضافه نمودن این نانوذرات به پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر می‌تواند علاوه بر ایجاد خواص بدیع، مقاومت مکانیکی این پلیمرها را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
بر اساس شبکه‌ای که در فرَآیند ساخت بین پلیمر و لایه‌های نانورس شکل می‌گیرد، کارکرد نانورس در کامپوزیت به دست آمده مشخص می‌گردد. نانورس در اختلاط با پلیمر می‌تواند دو ساختار نانوکامپوزیت و یا میکروکامپوزیت را تشکیل دهد. ساختار نانوکامپوزیت نیز بسته به نحوه قرارگیری لایه‌های نانورس و زنجیره‌های مولکولی پلیمر در کنار یکدیگر، به دو شکل پرپر شده (حالتی که لایه‌ها از یکدیگر فاصله زیادی می‌گیرند) و بین نشین شده (حالتی که زنجیره‌های پلیمر در بین لایه‌های نانورس قرار می‌گیرد) تقسیم بندی می‌شود (شکل 4).
هنگامی که نانورس‌ها کنار یکدیگر جمع شوند به صورت یک میکروذره عمل می‌کنند. این پدیده سبب ایجاد خواص ضعیف در کامپوزیت می‌گردد. بنابراین، حضور مقدار کافی از نانوذرات و نیز جدایش و توزیع خوب آن‌ها در زمینه پلیمری می‌تواند سبب بهبود خواص در کامپوزیت گردد. به طور خلاصه استفاده از نانورس در پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سبب ایجاد بهبودهای زیر می‌گردد:
• افزایش پایداری دمایی
• افزایش تحمل تنش‌های کششی و افزایش تغییر شکل در هنگام شکست
• کاهش میزان نفوذ پذیری آب و گاز
3-3-3 مقاوم‌سازهای سلولزی
نانوذرات سلولزی معمولا به دو صورت نانوالیاف و نانوویسکر مورد استفاده قرار می‌گیرند. از مزایای عمده این نانوذرات می‌توان به در دسترس بودن آن‌ها اشاره نمود. زیرا نانوذرات سلولزی را می‌توان به راحتی به روش‌های گوناگون از بافت‌های گیاهی حتی مواد زباله‌ای تهیه نمود. به طور خلاصه، از مزایای استفاده از نانوذرات سلولزی در زمینه‌های زیست‌تخریب‌پذیر می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
• افزایش مدول الاستیک نانوکامپوزیت
• افزایش استحکام کششی نانوکامپوزیت
• ایجاد افزایش ممانعت در برابر نفوذ بخار آب
• ایجاد پایداری دمایی در نانوکامپوزیت نهایی
3-3-4 نانوذرات نقره
با وجود اینکه گزارش‌هایی مبنی وجود خاصیت آنتی‌باکتریال در نانورس ارائه شده است، اما بیشترین نانوذرات به کار رفته برای ایجاد خاصیت آنتی‌باکتریال در فیلم‌های مورد استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی، نانوذرات نقره می‌باشد. علت خاصیت آنتی‌باکتریال نانوذرات نقره، اندازه کوچک و بار سطحی آن‌ها عنوان شده است که سبب نفوذ این نانوذرات به داخل غشای باکتری و آسیب رساندن به DNA آن می‌گردد. علاوه بر خاصیت آنتی‌باکتریال نانوذرات نقره، این نانوذرات مانع از رشد میکرواورگانیسم‌ها در داخل محصولات غذایی می‌شوند.
3-3-5 نانولیپوزوم ها
در سال‌های اخیر، مزایای استفاده از نانولیپوزوم‌ها به عنوان حامل‌های مواد فعال و استفاده از آن‌ها در ساخت مواد زیست‌تخریب‌پذیر مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از موادی که همزمان خاصیت آبدوستی و آب‌گریزی دارند (مانند لسیتین )، این امکان را فراهم می‌آورد که از طریق ویزیکل‌ها و مایسل‌ها اجزاء قطبی و یا غیر قطبی را در مرکز خود جای دهند (شکل 5).
سمیت نانولیپوزوم‌هایی که از ترکیبات طبیعی به دست می‌آیند نسبت به نانوذرات دیگر مانند نانولوله‌های کربنی و نانوذرات نقره کمتر است. که علت آن را می‌توان به اندازه ذرات بزرگ‌تر نانولیپوزوم‌ها و ماهیت غیرسمی لسیتین نسبت داد. به طور خلاصه می‌توان مزایای استفاده از نانولیپوزوم‌ها را در بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر در قالب موارد زیر بیان نمود:
• افزایش خاصیت ضد میکروبی نانوکامپوزیت
• افزایش خاصیت آنتی‌اکسیدانی نانوکامپوزیت
• ایجاد ترکیبات زیست فعال در نانوکامپوزیت
البته باید به این نکته توجه نمود که استفاده از نانولیپوزوم‌ها به اندازه نانوذرات دیگر سبب افزایش خواص مکانیکی نانوکامپوزیت نمی‌شود. این موضوع به عنوان یک محدودیت برای نانولیپوزوم‌ها تلقی می‌گردد. استفاده همزمان از نانولیپوزوم‌ها و دیگر نانوذرات برای غلبه بر این محدودیت می‌تواند سبب ایجاد نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر با خواص فیزیکی و کاربردی بهتر گردد.
4- محصولات تجاری در حوزه نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر
معضلات ناشی از مصرف بی‌رویه پلاستیک‌های معمولی و خطرات زیست محیطی آن، موجب شکل‌گیری تلاش‌هایی جهت جایگزین نمودن این پلاستیک‌ها با مواد زیست‌تخریب‌پذیر گردید. امروزه تعدادی از شرکت‌های فعال در صنعت پلیمرها در اکثر نقاط جهان به سمت تولید نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر جهت جایگزین کردن پلاستیک‌های معمولی رفته‌اند. در جدول 1 تعدادی از شرکت‌های فعال در زمینه تولید نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر معرفی شده‌اند.
اکثر این شرکت‌ها در مرحله تحقیق و توسعه هستند اما با توجه به روند رو به رشد این تقاضا در بازارهای جهانی برای تولید فیلم‌های بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر مواد غذایی با خواص مناسب، تولید محصولات صنعتی متناسب با این تقاضا نیز سرعت گرفته است. همان گونه که در جدول 1 مشاهده می‌شود، در ایران شرکت پارسا پلیمر شریف اقدام به تولید نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر نموده و تا کنون دو محصول خود در این زمینه را با عناوین parsabio 6410 و parsabio 6010 را به صورت نیمه صنعتی به بازار عرضه کرده است.
5- جنبه‌های اقتصادی و صنعتی
در گزارش پایشی نانو که در سال 2010 در حوزه بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر منتشر شد، عنوان شد که میزان تقاضا برای نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر در سال 2013 نسبت به سال 2010 در حدود %400 افزایش پیدا خواهد کرد. علل عمده این رشد را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد:
• افزایش قیمت نفت و گاز
• افزایش تقاضای مشتریان برای محصولات سازگار با محیط زیست
• افزایش تولید زیست پلاستیک‌ها
• فشارهای سیاسی و اجتماعی برای کاهش پلاستیک‌های غیر تخریب‌پذیر
بر اساس این گزارش در سال 2015 میزان بازار مصرف نانوکامپوزیت‌ها در دنیا به حدود 4 میلیارد دلار خواهد رسید که در حدود 40 درصد آن مربوط به بخش بسته‌بندی خواهد بود. با توجه به افزایش تقاضا برای تولید نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر، دور از ذهن نیست که بخش قابل توجهی از این بازار به این دسته از نانوکامپوزیت‌ها اختصاص یابد که خود یک فرصت مناسب برای سرمایه‌گذاری در این بخش به شمار می‌رود. شکل 6 روند افزایش حجم بازار نانوکامپوزیت‌ها را در سال‌های 2005، 2010 و 2015 نشان می‌دهد.
