نانوالیاف سلولز

ا بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر و ج- با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر ) و پیش تیمار آنزیمی (د- با بزرگنمایی ۲۰۰ برابر، هـ – با بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر و و- با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر)
۱۰۲
۴-۴۳
تصاویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشی از سطح کاغذ دست ساز تهیه شده از ترکیب خمیر سودای باگاس با نانوالیاف سلولزی تهیه شده با بدون پیش تیمار بهمراه پلی اکریل آمید کاتیونی در سطح ۳/۰ درصد (الف- با بزرگنمایی ۲۰۰ برابر، ب- با بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر و ج- با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر ) و پیش تیمار آنزیمی (د-با بزرگنمایی ۲۰۰ برابر، هـ – با بزرگنمایی ۱۰۰۰ برابر و و- با بزرگنمایی ۵۰۰۰ برابر)
۱۰۳
۴-۴۴
مقایسه ضخامت نانوالیاف سلولزی تهیه شده بدون پیش تیمار از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۰۸
۴-۴۵
مقایسه ناهمواری سطح نانوالیاف سلولزی تهیه شده بدون پیش تیمار از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۰۹
۴-۴۶
مقایسه ضخامت نانوالیاف سلولزی با پیش تیمار آنزیمی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۱
۴-۴۷
مقایسه ناهمواری سطح نانوالیاف سلولزی تهیه شده با پیش تیمار آنزیمی از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۲
۴-۴۸
ضخامت نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف شده سودای باگاس
۱۱۳
۴-۴۹
چگالی نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۵
۴-۵۰
تخلخل نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۶
۴-۵۱
شاخص مقاومت کششی نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۷
۴-۵۲
شاخص مقاومت پارگی نانوکاغذ های ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۱۹
۴-۵۳
روشنی نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۲۰
۴-۵۴
ماتی نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۲۱
۴-۵۵
ضریب پخش نور نانوکاغذهای ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۲۳
۴-۵۶
اثرات متقابل ضریب پخش نور و شاخص مقاومت کششی در نانوکاغذ های ساخته شده از نانوالیاف سلولزی تهیه شده از خمیرکاغذ سودا و حل شونده باگاس در کیفیت های مختلف
۱۲۳

فصل اول
مقدمه و کلیات

۱ مقدمه و کلیات
۱-۱ سلولز
معمولاً سلولز در دیواره سلولی گیاهان عالی وجود دارد و نیز می تواند در قارچها، جلبکها و باکتریها هم تشکیل شود. این ماده به طور متوسط هر ساله تقریباً ۱۰۱۰ x5/7 تن در طبیعت تولید می شود و به همین دلیل به عنوان فراوانترین پلیمر تجدیدپذیر و طبیعی موجود در زمین شناخته شده است [سیرو و همکاران،۲۰۱۰]. سلولز در گیاهان چوبی و غیرچوبی در ماتریسی از پلیمر های زیستی مانند لیگنین، همی سلولزها و مواد استخراجی قرار دارد و درصد این پلیمرها بسته به چوبی و غیرچوبی بودن گونه و جایگاه آن متفاوت است. برای نمونه متوسط پراکنش این مواد در چوبهای سوزنی برگ، پهن برگ و گیاهان غیرچوبی در جدول ۱-۱ نشان داده شده است.

جدول ۱-۱: پراکنش پلیمرهای موجود در ساختار دیواره سلولی گیاهان متداول چوبی و غیر چوبی [عبدالخلیل و همکاران، ۲۰۱۲ و جنوبی و همکاران، ۲۰۰۹ ]
نام پلیمر
ماده طبیعی
سلولز
(%)
همی سلولزها
(%)
لیگنین
(%)
مواد استخراجی
(%)
سوزنی برگان
۴۲
۲۷
۲۸
۳
پهن برگان
۴۵
۳۰
۲۰
۵
تفاله نیشکر (باگاس)
۴۰
۳۰
۲۰
۱۰
کاه گندم
۳۰
۵۰
۱۵
۵
کنف
۵/۶۳
۶/۱۷
۷/۱۲
۴

مواد سلولزی دارای کاربردهای بسیار زیاد و متفاوتی بوده و میتوانند برای تولید محصولات مختلف از جمله تولید پانلها، کاغذ و مقوا، الیاف، فیلمها، غشاهای نیمه تراوا، مواد منفجره و….. به کار روند. سلولز از نظر شیمیایی یک پلیمر خطی بوده و حاوی واحدهای مونومر ? – D گلوکوپیرانوز است که به وسیله پیوندهای ۴?۱ گلوکوزیدیک به هم متصل شده اند [فنجل و وگنر، b1989]. درجه بسپارش سلولز بسته به منبع و روشهای آماده سازی آن متفاوت می باشد. این مقدار در سلولز طبیعی حاصل از پنبه به بیشترین مقدار ممکن (۱۵۰۰۰) می رسد. همچنین برای مقایسه درجه بسپارش سلولز در خمیرکرافت بین ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ متغیر است [فنجل و وگنر، b1989].
فیبریلهای اولیه به عنوان کوچکترین ساختار سلولزی در گیاهان عالی، شامل ۳۶ ملکول موازی و جهت یافته سلولز بوده که به وسیله پیوندهای هیدروژنی در نواحی بی شکل و کریستالی قرار گرفته اند و در نتیجه ابعاد عرضی تقریبی آنها بین ۲-۴ نانومتر می باشد. اگر فیبریلهای اولیه با سایر مواد چوبی نظیر همی سلولزها، لیگنین، پکتین و پروتئین ترکیب شود آنگاه میکروفیبریل تشکیل می شود. ابعاد عرضی میکروفیبریل بسته به منبع سلولز و روشهای آماده سازی (پیش تیمار) و تولید متفاوت بوده و بین ۳-۲۰ نانومتر می باشد [سیرو و پلاکت، ۲۰۱۰
]. میکروفیبریل در مرحله بعدی دستجات فیبریل را تشکیل داده و گاهی اوقات از آن به عنوان ماکروفیبریل یاد شده و در واقع ترکیبات اولیه دیواره الیاف چوبی هستند.

۱-۲ باگاس (تفاله نیشکر)
ماده لیگنوسلولزی حاصل از استخراج شکر در کارخانجات استحصال این ماده از نیشکر، تفاله نیشکر یا باگاس نامیده می شود. معمولاٌ این ماده در کشورهای فاقد منابع چوبی به عنوان ماده اولیه مناسب برای تولید کاغذ و مقوا [جعفری پطرودی و همکاران، ۲۰۱۱] و نیز انواع صفحات فشرده چوبی مانند تخته خرده چوب و تخته فیبر مورد استفاده قرار می گیرد. اخیراً نیز با گسترش فرآیندهای پالایش زیستی۱ از این ماده برای تولید بیواتانل استفاده می کنند. ترکیبات شیمیایی نظیر سلولز، همی سلولزها و لیگنین این ماده در حد پهن برگان بوده اما میزان مواد استخراجی این ماده در حدود ۲ برابر پهن برگان میباشد [جعفری پطرودی و همکاران، ۲۰۱۱]. در کشور ما مقادیر بسیار زیادی از این ضایعات در حدود سالانه ۳/۴ میلیون تن تولید می شود که می تواند ماده اولیه بسیار مناسب برای تولید نانوالیاف سلولز باشد [نجفی، ۲۰۰۹]. به طور متوسط از هر ۱۰ تن نیشکر می توان حدود ۳ تن باگاس مرطوب که متوسط رطوبت آن بین ۴۰-۵۵ درصد است تولید کرد.
از نظر مرفولوژیکی، باگاس دارای دو بخش مغز۲ و ساقه است. مغز باگاس از سلولهای پارانشیمی تشکیل می شود و لذا برای استفاده در تولید خمیرکاغذ مناسب نبوده و جداسازی (مغززدایی) می شود. ساقه باگاس عمدتاً حاوی الیاف سلولزی با طول حدود ۱۷۰۰-۱۳۰۰ میکرومتر است که اندکی بیشتر از متوسط طول الیاف پهن برگان است که این مقادیر به منطقه جغرافیایی و نوع گونه نیشکر بستگی دارد. در شکل۱-۱ تصویری از باگاس نشان داده شده است.

شکل۱-۱ باگاس
۱-۳ نانومواد
امروزه فرآوری و تولید محصولات بر پایه نانومواد از جمله زمینه های تحقیقات کاربردی در حال گسترش در تمامی علوم می باشد و تاکید بر آن در حدی است که بازار محصولات بر پایه نانو در سال ۲۰۱۱ به حدود ۲۰ میلیارد دلار رسیده است [جعفری پطرودی و همکاران، ۱۳۸۹].

۱-۴ نانو الیاف سلولزی
سلولز از نظر ذاتی دارای طبیعت و ویژگی های نانومواد می باشد. بدین معنی که در دیواره سلولی الیاف، مواد لیگنوسلولزی به صورت اجتماعی از فیبریلها در اندازه نانو وجود دارد و ساختارهای ریز موجود در الیاف سلولزی همگی در ابعاد نانو بوده و انتظاراتی که از دیگر مواد نانویی متصور است، در رد این ماده نیز حتی به صورت طبیعی صادق است. مقاومت ذاتی زنجیرهای سلولز بسیار زیاد و حدود GPa3-2 می باشد [ویکیپدیا، ۲۰۰۹]. هنگامی که الیاف مواد لیگنوسلولزی با استفاده از تیمارهای مکانیکی به وسیله همگن سازها یا آسیابهای با قدرت برشی بسیار زیاد در حد فیبریل جدا می گردند دارای ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر شده و به سلولز میکروفیبریله شده۳ یا سلولز میکروفیبریلار تبدیل می شوند که امروزه هر دوی این واژه ها در اکثر مقالات یا کتابها دیده می شود [چینگا-کاراسکو، ۲۰۱۱]. هر چند امروزه واژه های دیگری نظیر نانوالیاف سلولزی و سلولز نانوفیبریله شده۴ نیز برای این نوع الیاف سلولزی استفاده می شود که باید دقت داشت این واژه ها را در صورتی استفاده کرد که ضخامت الیاف سلولزی به صورت همگن و در حد میکروفیبریل و دارای ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر باشد [چینگا-کاراسکو، ۲۰۱۱]. البته غیر از روشهای مکانیکی که به آن اشاره شده است با استفاده از تیمار شدید یا هیدولیز اسیدی به همراه تیمار مکانیکی نوعی از الیاف سلولزی در ابعاد نانو تولید می شود که به نام نانوویسکر سلولز۵ یا نانوکریستال سلولز۶ معروف است [سیرو و پلاکت، ۲۰۱۰]. از نظر مقایسه ای سلولز میکروفیبریله شده نسبت به نانوکریستال سلولز دارای نسبت طول به قطر بیشتری بوده و امروزه به عنوان تقویت کننده در انواع چند سازه ها، اندود کننده ها و فیلم ها به دلیل تجدیدپذیری، فراوانی، نسبت طول به قطر بسیار زیاد۷ و ویژگی های مکانیکی منحصر به فرد از محبوبیت و جایگاه خاصی برخوردار گردیده است [ایچهورن و همکاران، ۲۰۱۰]. مواد سلولزی دارای ویژگیهای مقاومتی منحصر به فردی هستند به عنوان مثال سلوفان۸ و سلولز دوباره تجدید شده۹ به ترتیب دارای مقاومت کششیMPa 50 و MPa243 هستند. دلیل اصلی مقاومت بسیار زیاد الیاف سلولزی نسبت به الیاف مصنوعی نظیر نایلون و پلی اتیلن با دانسیته بسیار زیاد به اجزای سازنده آنها که همان نانو الیاف سلولز می باشد و دارای مدول الاستیسیته GPa145 می باشند برمیگردد [اسپنس و همکاران، c2010؛ سیورود و استنیس، ۲۰۰۹]. مقاومت سلولز میکروفیبریله شده یا نانوفیبریله شده از مقاومت خمیر اولیه این مواد بسیار بیشتر می باشد که دلیل اصلی این موضوع، توزیع تنشهای نانو سلولز (سلولز میکروفیبریله شده یا نانوفیبریله شده) و نگهداری بیشتر آن در نتیجه سطح ویژه بسیار زیاد این مواد می باشد [تانیگوچی و اوکامورا، ۲۰۰۸].

۱-۵ روشهای تولید نانو الیاف سلولزی
مواد اولیه مناسب برای تولید سلولز میکروفیبریله شده را می توان خمیرکاغذ چوب وگیاهان غیرچوبی، باکتری و پنبه نام برد. عموماً سلولز میکروفیبریله شده را می توان با روشهای مکانیکی متداول نظیر همگن سازی۱۰[تورباک و همکاران، ۱۹۸۳؛ سیورود و همکاران، ۲۰۰۹]، ریز سیال سازی۱۱[هنریکسون و همکاران، ۲۰۰۷ و ۲۰۰۸ ]، آسیابهای با قدرت بسیار زیاد۱۲[ ایواموتو و همکاران، ۲۰۰۷؛ نوگی و همکاران ، ۲۰۰۹؛ حسن و همکاران، ۲۰۱۲] وخرد کردن انجمادی۱۳[
چاکرابورتی و همکاران، ۲۰۰۵] تولید کرد.
امروزه از برخی روشهای پیش تیمار شیمیایی و آنزیمی نیز به منظور سهولت جداسازی نانوالیاف در روشهای فوق استفاده می شود [زیمرمن و همکاران، ۲۰۱۰] که در بخش های بعدی به طور کامل در مورد آنها بحث خواهد شد.

۱-۵-۱ همگن ساز
در همگن ساز الیاف خمیر هنگام عبور از دستگاه، تحت تاثیر افت ناگهانی فشار قرار می گیرند و همزمان فشار و نیروهای برشی بسیار زیادی نیز به الیاف اعمال می شود. عموماً افت ناگهانی فشار درهمگن ساز از نوعManton-Gaulin 15MR حدود MPa55 بوده و الیاف به طور متوسط ۱۰ تا ۲۰ بار از این دستگاه عبور داده می شود و این مقدار بستگی به نوع الیاف سلولزی و روشهای پیش تیمار اعمال شده دارد [تورباک و همکاران، ۱۹۸۳؛ اندرسن و همکاران، ۲۰۰۶؛ اریکسن و همکاران، ۲۰۰۸؛ استنستاد و همکاران، ۲۰۰۸؛ سیورود و استنیس، ۲۰۰۹]. علاوه بر مصرف بسیار زیاد انرژی، کلوخه شدن الیاف در شیر ورودی این دستگاه نیز از مهمترین موانع استفاده از این دستگاه در تولید سلولز میکروفیبریله شده می باشد [زیمرمن و همکاران، ۲۰۱۰]. از طرف دیگر، سهولت استفاده و تولید، قابلیت تجاری کردن و تولید پیوسته از مهمترین مزایای این دستگاه می باشند [ سیورود و استنیس، ۲۰۰۹]. شکل۱-۲ همگن ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز در این تحقیق را نشان می دهد.

شکل۱-۲ دستگاه همگن ساز

۱-۵-۲ ریز سیال ساز۱۴
از آنجا که این دستگاه دارای بخشهای ورودی متحرک نیست لذا تولید نانوالیاف سلولز با این دستگاه، احتمال کلوخه شدن الیاف را نسبت به دستگاه همگن ساز کاهش می دهد. خمیرکاغذ از پمپ تشدید کننده ای که فشار خروجی را بهMPa276 افزایش داده و به همراه مخزنی که عملیات تبدیل الیاف سلولزی به نانو الیاف سلولزی را از طریق فشار و نیروی برشی انجام می دهد عبور می کند. میزان کلوخه شدن در این دستگاه به دلیل ایجاد فشار مخالف کمتر از همگن ساز است [هنریکسن و همکاران، ۲۰۰۸]. شکل۱-۳ تصویر دستگاه ریز سیال ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز را نشان می دهد.

شکل۱-۳ دستگاه ریز سیال ساز

۱-۵-۳ آسیابهای پرقدرت
این دستگاه شامل دو صفحه ثابت۱۵ و چرخان۱۶ می باشد که خمیر کاغذ با فشار زیاد از شکاف بین این دو صفحه برای تولید نانوالیاف سلولز عبور داده می شود. این صفحات دارای برجستگی ها و فرورفتگی های بسیار زیادی بوده که تماس الیاف با این صفحات منجر به تبدیل شدن آنها به ریزساختار تشکیل دهنده آنها خواهد شد و در ادامه نانو الیاف سلولز با افزایش تعداد عبور آنها از بین این صفحات تولید خواهد شد [نوگی و همکاران، ۲۰۰۹].

این نوشته در مقالات و پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید