PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF DURIAN HUSK-BASED BIOCOMPOSITE FILMS REINFORCED WITH NANOCELLULOSE FROM PINEAPPLE LEAVES AND CORN HUSKS

Abstract

Various agricultural wastes generally contain cellulose, which is one type of biopolymers and hence can be used to replace synthetic, non-biodegradable materials. In this study, corn husks nanocellulose (CHNc) and pineapple leaves nanocellulose (PLNc) were incorporated into carboxymethyl cellulose-based film made from durian husks (CMCDH) with different nanocellulose contents (15, 30, and 45 wt%) through solvent-casting method as reinforcement. Durian husks cellulose (DHC) was obtained via alkaline and bleaching processes before CMCDH synthesis by carboxymethylation using sodium hydroxide and sodium monochloroacetate in isopropyl alcohol. The corn husks (CH) and pineapple leaves (PL) were treated through alkaline and bleaching treatments before synthesizing nanocellulose using acid hydrolysis. The results from Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray diffraction (XRD) indicated that alkaline and bleaching treatments effectively removed non-cellulosic components. Additionally, during the carboxylation reaction, the hydroxyl group on DHC was substituted with a carboxyl group. TEM images indicated the successful preparation of CHNc and PLNc which achieved rod-like in shape and nanoscale in size, with a length and diameter of approximately 206.45 ± 41.10 nm × 7.24 ± 1.38 nm, and 150.68 ± 42.10 nm × 6.52 ± 0.96 nm, respectively. XRD data showed the increased crystallinity index (CI) values of CHNc and PLNc to 63.94 and 62.27%, respectively, as compared to those the untreated CH and PL at 32.76 and 46.01%, respectively, implying the effective removal of lignin and hemicellulose. The CMCDH composite films were examined for their UV-visible light transmittance, water vapor transmission rates (WVTR), mechanical properties, thermal stability, and biodegradability. The CMCDH composite films prepared in this work has yellowish appearance compared to commercial CMC composite films (CMCcom). The addition of nanocellulose (CHNc and PLNc) reduced the UV-visible light transparency of the CMCDH films but improved their water barrier, thermal stability, and tensile strength. The WVTR decreased from 2.77 to 2.33 and 2.10 gm2/h with 30 wt% of CHNc and PLNc, respectively. The highest tensile strength was obtained from CMCDH/PLNc(30%) with a value of 5.06 ± 0.83 MPa. However, agglomeration of PLNc at 45 wt% resulting in a decrease in tensile strength to 3.78 ± 0.44 MPa. Scanning electron microscopy (SEM) also confirmed the agglomeration of PLNc at high PLNc concentration. According to Thermogravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimeter (DSC), the addition of nanocellulose delayed decomposition temperature of CMCDH composite films by approximately 10 °C. Photodegradation study of the film under UV light irradiation of the wavelength of 320-400 nm indicated that after 2 days of irradiation, all the films were hard and brittle. However, the films’ color did not alter after 7 days of irradiation. For biodegradation investigation via soil burial test, all of the composite films completely degraded within 3 days. Therefore, the CMCDH biocomposite films prepared in this research can be an alternative material for solving environmental issues and promoting sustainable materials in packaging applications. In addition, this research counteracts with Bio-Circular-Green (BCG) economy model of Thailand.

วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมีเซลลูโลสเป็นส่วนประกอบหลัก โดยเซลลูโลสเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพ ดังนั้นสามารถนำไปใช้ทดแทนวัสดุสังเคราะห์ที่ไม่สามารถย่อยสลายได้ งานวิจัยนี้ได้มีการนำนาโนเซลลูโลสจากเปลือกข้าวโพด (CHNc) และนาโนเซลลูโลสจากใบสับปะรด (PLNc) เป็นวัสดุเสริมแรงในฟิล์มคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสจากเปลือกทุเรียน (CMCDH) ที่ความเข้มข้นแตกต่างกัน (15, 30 และ 45 %โดยน้ำหนัก) ด้วยวิธีหล่อด้วยตัวทำละลาย (solvent-casting method) เซลลูโลสจากเปลือกทุเรียน (DHC) ได้มาจากการทำปฏิกิริยากับสารละลายด่างและการฟอกขาวก่อนนำไปสังเคราะห์เป็น CMCDH ด้วยวิธีคาร์บอกซีเมทิเลชัน (carboxymethylation) โดยใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์และโซเดียมโมโนคลอโรอะซิเตตในไอโซโพรพานอล เปลือกข้าวโพด (CH) และใบสับปะรด (PL) จะถูกนำไปปรับสภาพด้วยการทำปฏิกิริยากับสารละลายด่างและการฟอกขาวก่อนนำไปสังเคราะห์เป็นนาโนเซลลูโลสด้วยวิธีการไฮโดรไลซิสด้วยกรด (acid hydrolysis) ผลการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรดสเปกโทรสโกป (FTIR) เทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบทรานสมิสชัน (TEM) และการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ (XRD) พบว่าการปรับปรุงเซลลูโลสด้วยการทำปฏิกิริยากับสารละลายด่างและการฟอกขาวสามารถกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ใช้เซลลูโลสได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้พบว่าในระหว่างปฏิกิริยาคาร์บอกซีเมทิเลชัน หมู่ไฮดรอกซิลบน DHC ถูกแทนที่ด้วยหมู่คาร์บอกซิล ภาพ TEM พบว่าสามารถเตรียม CHNc และ PLNc ได้สำเร็จมีรูปร่างเป็นแท่งและขนาดเป็นนาโนสเกล โดยมีความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 206.45 ± 41.10 นาโนเมตร × 7.24 ± 1.38 นาโนเมตร และ 150.68 ± 42.10 นาโนเมตร × 6.52 ± 0.96 นาโนเมตร ตามลำดับ ผล XRD พบว่าค่าดัชนีความเป็นผลึก (CI) ของ CHNc และ PLNc มีค่าเพิ่มขึ้นเป็น 63.94 และ 62.27% ตามลำดับเมื่อเปรียบเทียบกับ CH และ PL ที่ไม่ได้ปรับสภาพมี CI เท่ากับ 32.76 และ 46.01% ตามลำดับ ซึ่งเป็นผลมาจากการกำจัดเฮมิเซลลูโลสและลิกนินออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ฟิล์มคอมโพสิต CMCDH ถูกนำไปวัดการดูดกลืนแสงในช่วง UV-Vis อัตราการซึมผ่านของไอน้ำ (WVTR) สมบัติเชิงกล เสถียรภาพทางความร้อน และ ความสามารถในการย่อยสลายได้ทางชีวภาพ พบว่าฟิล์มคอมโพสิต CMCDH ที่เตรียมได้ในงานวิจัยนี้มีลักษณะภายนอกเป็นสีเหลืองเมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มคอมโพสิต CMC ในเชิงพาณิชย์ (CMCcom) การเสริมแรงด้วยนาโนเซลลูโลส (CHNc และ PLNc) จะไปลดความโปร่งใสของฟิล์ม CMCDH แต่ช่วยปรับปรุงการซึมผ่านของไอน้ำ ความเสถียรทางความร้อน และความแข็งแรงดึง ค่า WVTR ลดลงจาก 2.77 เป็น 2.33 และ 2.10 gm2/h เมื่อมีความเข้มข้น CHNc และ PLNc เป็น 30% ตามลำดับ ค่าความแข็งแรงดึงสูงสุดได้จาก CMCDH/PLNc(30%) มีค่า 5.06 ± 0.83 เมกะปาสคาล อย่างไรก็ตามการรวมตัวของ PLNc ที่ความเข้มข้น 45% ส่งผลให้ความแข็งแรงดึงลดลงเหลือ 3.78 ± 0.44 เมกะปาสคาล การทดสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) สามารถยืนยันการรวมตัวของ PLNc ที่ความเข้มข้น 45% ผลการวิเคราะห์สมบัติการเปลี่ยนแปลงเชิงน้ำหนักด้วยความร้อน (TGA) และ วิเคราะห์สมบัติการเปลี่ยนแปลงเชิงพลังงานด้วยความร้อน (DSC) พบว่าการเติมนาโนเซลลูโลสทำให้อุณหภูมิในการสลายตัวของฟิล์มคอมโพสิต CMCDH ช้าลงประมาณ 10 องศาเซลเซียส การศึกษาการย่อยสลายด้วยแสงของฟิล์มภายใต้แสง UV ที่ความยาวคลื่น 320-400 นาโนเมตร บ่งชี้ว่าหลังจากการฉายแสง 2 วัน ฟิล์มทั้งหมดแข็งและเปราะ อย่างไรก็ตาม สีของฟิล์มไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการฉายแสง 7 วัน สำหรับการศึกษาการย่อยสลายทางชีวภาพด้วยการฝังในดิน ฟิล์มคอมโพสิตทั้งหมดสลายไปภายใน 3 วัน ดังนั้นฟิล์มคอมโพสิต CMCDH ที่เตรียมในการวิจัยนี้สามารถเป็นวัสดุทางเลือกในการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมและส่งเสริมวัสดุที่ยั่งยืนในการใช้งานด้านบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ การวิจัยนี้สอดคล้องกับโมเดลเศรษฐกิจ Bio-Circular-Green (BCG) ของประเทศไทย