Surface Modified Halloysite Nanotubes Incorporated Polyl-Lactide Nanocomposites for Food Packaging Applications

Abstract

Biodegradable Poly (L-lactide) (PLA) can replace petroleum based packaging materials to solve environmental problems. PLA lacks of ductility and have moderate barrier properties. In this study, halloysite nanotubes (HNTs) possessing unique surface chemistry and tubular structure were incorporated into PLA matrix to overcome drawbacks of PLA. Firstly, HNT surface was modified with aminopropyltriethoxysilane (APTES) to enhance interfacial adhesion between HNTs and PLA matrix by decreasing the hydrophilicity of HNTs. Modified HNTs (m-HNTs) were characterized by SEM, FTIR, TGA, N2 adsorption-desorption analysis, XRD and XPS. FTIR, XRD and XPS results revealed that APTES was successfully grafted onto HNTs. The optimum pH and APTES concentration for the silanization of HNTs were determined as 3.50 and 1%, respectively. HNT/PLA and m-HNT/PLA nanocomposite films with different wt% of nanofiller loadings were prepared by solution casting. The films were characterized by FTIR, XRD, tensile test, water vapor permeation, DSC, TGA, contact angle and SEM analysis and color measurements. Better dispersion and consequently better mechanical properties were obtained with m-HNT addition compared to unmodified ones. Tensile strength at break of PLA was increased by 4.7% and 16.6% with 2 wt% HNT and m-HNT addition, respectively. m-HNT/PLA nanocomposites had better water vapor barrier properties than unmodified HNT/PLA nanocomposites while both of them improved the barrier property. Best mechanical and water vapor barrier properties were achieved with 2% modified HNT (1% APTES) containing PLA nanocomposites. Therefore, nanocomposite films produced in this study with high transparency and good barrier property can be a suitable candidate for fresh food packaging.

Biyobozunur Poli (L-laktid) (PLA), çevre sorunlarını çözmek için petrol bazlı ambalaj malzemelerinin yerini alabilir. PLA süneklikten yoksundur ve orta derecede bariyer özelliklerine sahiptir. Bu çalışmada, PLA’nın dezavantajlarının üstesinden gelmek için, özgün yüzey kimyasına ve tübüler yapıya sahip olan halloysite nanotüpler (HNT’ler) PLA matrisine dahil edilmiştir. HNT’lerin hidrofilikliğini azaltarak HNT’ler ve PLA matrisi arasındaki arayüzey yapışmasını attırmak için HNT yüzeyi, aminopropiltiltrietoksisilan (APTES) ile modifiye edilmiştir. Modifiye HNT’ler (m-HNT’ler), SEM, FTIR, TGA, N2 adsorpsiyondesorpsiyon analizi, XRD ve XPS ile karakterize edilmiştir. FTIR, XRD ve XPS sonuçları APTES’in HNT’lere başarıyla aşılandığını göstermiştir. HNT’lerin silanizasyonu için optimum pH ve silan konsantrasyonu sırasıyla 3.50 ve %1 olarak belirlenmiştir. Ağırlıkça farklı yüzdelerde modifiye edilmemiş ve modifiye edilmiş HNT içeren PLA/HNT nanokompozit filmleri çözelti dökümü ile hazırlanmıştır. Filmler FTIR, XRD, çekme testi, su buharı geçirgenliği, DSC, TGA, temas açısı ve SEM analizi ve renk ölçümleriyle karakterize edilmiştir. Modifiye edilmemiş olanlara kıyasla m-HNT ilavesi ile daha iyi dağılım ve sonuç olarak daha iyi mekanik özellikler elde edilmiştir. PLA’nın kopmasındaki çekme dayanımı, ağırlıkça %2 HNT ve m-HNT ilavesi ile sırasıyla %4.7 ve %16.6 artmıştır. %2 modifiye edilmiş HNT (%1 APTES) içeren PLA nanokompozitleri ile en iyi mekanik ve su buharı bariyeri özellikleri elde edilmiştir. Bu nedenle, bu çalışmada üretilen yüksek şeffaflık ve iyi bariyer özelliğine sahip nanokompozit filmler, taze gıda ambalajları için uygun bir aday olabilir.