پلاستیک‌های زیست‌پایه و زیست‌تخریب‌پذیر به‌عنوان جایگزین‌هایی برای بخشی از پلاستیک‌های متداول نفت‌پایه مورد توجه قرار گرفته‌اند. نشاسته یکی از مواد اولیه قابل‌دسترس برای تولید این نوع پلیمرهاست؛ ماده‌ای تجدیدپذیر که می‌توان با افزودن نرم‌کننده‌هایی مانند گلیسرول، آن را به فیلم‌های انعطاف‌پذیر تبدیل کرد. بااین‌حال، پلاستیک‌های پایه‌نشاسته با محدودیت‌هایی مانند شکنندگی، استحکام مکانیکی پایین و جذب رطوبت روبه‌رو هستند؛ ویژگی‌هایی که دامنه کاربرد آن‌ها را، به‌ویژه در بسته‌بندی، محدود می‌کند.
پژوهشگران در مطالعه‌ای که در مجله Polymers منتشر شده، روشی برای اصلاح سطح این مواد با استفاده از نانوذرات اکسیدی فلزی ارائه کرده‌اند. در این روش، به‌جای مخلوط‌کردن نانوذرات با کل حجم پلیمر، ذرات فلزی مستقیماً روی سطح فیلم نشانده می‌شوند. هدف این است که با تغییر ویژگی‌های سطحی، بخشی از ضعف‌های مکانیکی و رطوبتی ماده برطرف شود، بدون آنکه ساختار تمام حجم پلیمر نیازمند افزودنی‌های نانویی باشد.
ماده پایه در این پژوهش، نشاسته کاساوا بود که با گلیسرول ترکیب شد تا نشاسته ترموپلاستیک (Thermoplastic Starch یا TPS) تولید شود. نشاسته ترموپلاستیک نوعی ماده پلیمری است که با کمک نرم‌کننده و فرایند حرارتی، قابلیت شکل‌دهی و پردازش پیدا می‌کند. پژوهشگران همچنین کربوکسی‌متیل سلولز (Carboxymethyl Cellulose یا CMC) را به ترکیب افزودند تا فیلمی مرکب از نشاسته و این مشتق سلولزی بسازند.
کربوکسی‌متیل سلولز یک پلیمر زیست‌پایه و محلول در آب است که در صنایع مختلف به‌عنوان عامل تشکیل‌دهنده فیلم، پایدارکننده و غلیظ‌کننده استفاده می‌شود. حضور این ماده می‌تواند ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و سطحی ترکیبات پلیمری را تغییر دهد. در ساختار مورد بررسی، گروه‌های عاملی کربوکسیل در CMC و گروه‌های هیدروکسیل در نشاسته، جایگاه‌هایی برای برهم‌کنش با ذرات نشانده‌شده روی سطح فراهم می‌کنند.
برای اصلاح سطح فیلم‌ها، محققان از سه فلز نقره، روی و مس استفاده کردند. در فناوری جرقه‌نشانی، تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا میان الکترودهای فلزی ایجاد می‌شود. انرژی حاصل از جرقه می‌تواند ذرات بسیار ریز فلز را جدا کند. این ذرات در تماس با محیط اطراف ممکن است اکسید شوند و نانوذرات اکسیدی فلزی تشکیل دهند. سپس این مواد روی سطح نمونه قرار می‌گیرند.
در این آزمایش، سیم‌هایی از جنس نقره، روی و مس با قطر نیم میلی‌متر به کار رفتند. فرایند جرقه‌زنی با جریان سه میلی‌آمپر و ولتاژ سه کیلوولت به مدت ۳۰ دقیقه انجام شد. فیلم‌های مورد استفاده ابعادی برابر با پنج در پنج سانتی‌متر و ضخامت یک میلی‌متر داشتند و تنها یک سمت آن‌ها تحت عملیات اصلاح سطح قرار گرفت.
بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و نقشه‌برداری طیف‌سنجی پراکندگی انرژی پرتو ایکس (SEM-EDS) نشان داد که ذرات حاوی فلز روی سطح نمونه‌ها توزیع شده‌اند. در تصاویر گزارش‌شده، توزیع نسبتاً پیوسته‌ای از ذرات روی ترکیب TPS/CMC مشاهده شد و تجمع آشکار و گسترده‌ای از ذرات گزارش نشد. این ویژگی اهمیت دارد، زیرا توزیع نامناسب و تجمع ذرات می‌تواند عملکرد مورد انتظار از اصلاح سطح را کاهش دهد.
نتایج آزمون کشش نشان داد که جرقه‌نشانی می‌تواند استحکام مکانیکی فیلم‌های ترکیبی نشاسته و کربوکسی‌متیل سلولز را افزایش دهد. استحکام کششی نمونه اصلاح‌نشده ۲.۲ مگاپاسکال بود؛ درحالی‌که این مقدار پس از اصلاح سطح با نقره به پنج مگاپاسکال، با روی به ۴.۲ مگاپاسکال و با مس به سه مگاپاسکال رسید. بنابراین، نقره در میان سه فلز بررسی‌شده بیشترین افزایش استحکام را ایجاد کرد و مقدار استحکام کششی نمونه را بیش از دو برابر افزایش داد.
این تغییرات به نوع برهم‌کنش میان ذرات نشانده‌شده و گروه‌های عاملی پلیمر نسبت داده شده است. طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) شواهدی از برهم‌کنش میان ذرات و گروه‌های کربوکسیل CMC و هیدروکسیل نشاسته ارائه کرد. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند این برهم‌کنش‌ها می‌توانند به چسبندگی بهتر ذرات به سطح پلیمر و تغییر رفتار مکانیکی آن کمک کنند. بااین‌حال، طیف‌سنجی به‌تنهایی سازوکار دقیق پیوندهای شیمیایی را به‌طور قطعی اثبات نمی‌کند.
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم فیلم‌های پایه‌نشاسته، تمایل آن‌ها به جذب آب است. این مسئله در کاربردهایی مانند بسته‌بندی مواد غذایی اهمیت دارد، زیرا تماس با رطوبت می‌تواند بر استحکام و پایداری ماده اثر بگذارد. پژوهشگران برای بررسی تغییرات سطحی، زاویه تماس قطره آب با سطح فیلم را اندازه‌گیری کردند. افزایش زاویه تماس معمولاً نشان‌دهنده کاهش ترشوندگی سطح است؛ یعنی آب دشوارتر روی سطح پخش می‌شود.
زاویه تماس نمونه اصلاح‌نشده TPS/CMC پس از ۱۰ دقیقه حدود ۴۱.۳ درجه بود. این مقدار در نمونه‌های اصلاح‌شده با نقره، روی و مس به‌ترتیب به ۹۱.۶، ۸۹.۳ و ۹۵.۱ درجه رسید. این نتایج نشان می‌دهد که جرقه‌نشانی هر سه فلز، آب‌دوستی سطح را به میزان قابل‌توجهی کاهش داده است. البته افزایش زاویه تماس به‌تنهایی به معنای ایجاد یک سد مؤثر در برابر نفوذ رطوبت نیست و برای ارزیابی عملکرد واقعی بسته‌بندی، آزمون‌های نفوذپذیری بخار آب ضروری است.
تغییرات خواص حرارتی نیز در این مطالعه بررسی شد. نتایج نشان داد افزودن CMC به نشاسته ترموپلاستیک، دمای آغاز تخریب حرارتی را از ۲۹۲ درجه سانتی‌گراد به ۲۵۹.۵ درجه کاهش داده است. عملیات جرقه‌نشانی نیز بسته به نوع فلز، رفتار تخریب حرارتی نمونه‌ها را تغییر داد. پژوهشگران احتمال داده‌اند که روی در مقایسه با نقره و مس، اثر کاتالیزوری قوی‌تری بر تخریب حرارتی پلیمر داشته باشد. این موضوع نشان می‌دهد که انتخاب نوع نانوذره باید با توجه به مجموعه خواص موردنیاز انجام شود و افزایش استحکام به‌تنهایی معیار کافی برای انتخاب ماده اصلاح‌کننده نیست.
تغییر رنگ فیلم‌ها پس از عملیات جرقه‌نشانی نیز از دیگر مشاهدات پژوهش بود. حضور ذرات فلزی و تغییر نحوه پراکندگی نور در سطح نمونه می‌تواند بر روشنایی و ظاهر آن اثر بگذارد. این ویژگی در کاربردهایی که ظاهر و شفافیت بسته‌بندی اهمیت دارد، باید در کنار سایر مشخصات فنی بررسی شود.
در مجموع، این پژوهش نشان می‌دهد که اصلاح سطحی با استفاده از فناوری جرقه‌نشانی می‌تواند راهی برای بهبود برخی ویژگی‌های پلاستیک‌های پایه‌نشاسته باشد. تفاوت این روش با رویکردهای متداول در آن است که نانوذرات مستقیماً روی سطح قرار می‌گیرند، نه اینکه به‌صورت عمده در سراسر ماتریس پلیمری پراکنده شوند. این رویکرد می‌تواند امکان مهندسی ویژگی‌های سطحی را با تغییر کمتر در ترکیب حجمی ماده فراهم کند.
بسته‌بندی‌های زیست‌پایه یکی از کاربردهای احتمالی این فناوری هستند، اما برای ارزیابی آمادگی آن در این حوزه باید چند موضوع مهم روشن شود: آیا نانوذرات در تماس با مواد غذایی یا رطوبت از سطح جدا می‌شوند؟ فیلم در طول نگهداری و استفاده چه میزان پایداری دارد؟ آیا اصلاح سطح بر سرعت و میزان زیست‌تخریب‌پذیری اثر می‌گذارد؟ پاسخ به این پرسش‌ها، در کنار بررسی امکان تولید در مقیاس صنعتی و یکنواختی پوشش، مشخص خواهد کرد که این روش تا چه اندازه می‌تواند از یک دستاورد آزمایشگاهی به فناوری قابل استفاده در صنعت بسته‌بندی تبدیل شود.