بخشی از مقاله
استات سلولز: فرآورده اي پايدار و زيست تخريب پذير با کاربرد هاي ويژه
چکيده :
در سال هاي اخير در مواجهه با بحران سوخت هاي فسيلي، سلولز به عنوان يک ماده اوليه براي توليد سوخت هاي زيستي و نيز بصورت مشتقات سلولزي، بعنوان جايگزيني براي مشتقات نفتي مطرح شده است . در اين راستا استر هاي سلولزي از بزرگترين و پرکاربردترين مشتقات سلولزي هستند، که در دو دسته آلي(سلولز استات ) و معدني(سلولز نيترات و سلولز سولفات ) تقسيم بندي مي شوند. مشتقات سلولزي براي دستيابي به ويژگي هاي خاص و مورد نياز طراحي و توليد مي شوند، که اين هدف با تغيير شبکه پيوند هاي هيدروژني ذاتي سلولز و ايجاد استخلاف هاي جديد بر روي زنجيره آن حاصل مي شود. اين استخلاف ها که در استات سلولز بصورت گروههاي استيلي مي باشند يا مانع از ايجاد کامل خودبه خودي پيوندهاي هيدروژني گرديده و يا موجب ايجاد تعاملهاي جديدي در زنجيره سلولزي مي شوند، که بدينوسيله ساختار هاي سوپراملکولي جديدي را ايجاد مي نمايند. در اين ارتباط استات سلولز به لحاظ ميزان توليد و گستردگي کاربرد در بين مشتقات استري داراي اهميت قابل توجهي بوده و مي تواند در کاربردهاي متنوعي همچون صنايع دارويي، غشاهاي جداسازي، پوشش دهنده ها و رنگ ها، فيلتر هاي جداسازي گازها و... به کار برده شود.
واژه هاي کليدي: سلولز، استر هاي سلولزي ، سلولز استات ، کاربردها
مقدمه :
سلولز جز اصلي سازنده گياهان است و معمولا به عنوان بيشترين ترکيب آلي کره ي زمين از آن ياد مي شود[١١] که به خاطر ساختار ملکولي خاص آن ، در آب و حلال هاي رايج غير قابل انحلال مي باشد. حلاليت کم سلولز در درجه اول به پيوند هاي درون ملکولي قوي آن و سپس به پيوند هاي هيدروژني بين زنجيره هاي سلولزي مربوط ميشود. با وجود فراواني بسيار زياد سلولز و کاربرد هاي متنوع آن ، سلولز در بسياري از حلال هاي تجاري قابل حل نيست ، بدين منظور نياز است که با انواع روش هاي توليد مشتقات ، ساختار سلولز تغيير کرده يا اصلاح شود، به طوريکه گروه هاي عاملي به طور جزئي يا کامل جايگزين گروه هاي هيدروکسيل سلولز شوند، که نتيجه آن بهبود حلاليت سلولز در حلال ها است .
اين فرآيندها منجر به توليد مشتقات سلولزي مي گردند، که گستره کاربردي وسيع تري را فراهم ميکنند[١]. مشتقات سلولزي به طور کلي شامل استري کردن و اتري کردن گروه هاي هيدروکسيل در زنجيره سلولزي هستند[٨]. استرهاي سلولزي بزرگترين گروه مشتقات سلولزي تجاري هستند. از اين رو، هم استرهاي آلي مثل استات سلولز و هم استرهاي معدني همچون سلولز نيترات و سلولز فسفات به طور گسترده توليد ميشوند. استرهاي سلولزي به همراه سلولز زانتات
١
(واسطه سلولزي توليد ابريشم مصنوعي)، بيش از ٩٠درصد از ظرفيت توليد فرآورده هاي شيميايي سلولز را تشکيل مي - دهند[١]. استات سلولز از استرهاي آلي سلولزي مهم هستند (شکل ١)، که از لينتر پنبه و خمير چوب با درصد آلفا سلولز٩٧درصد، و از طريق خمير سازي، طي سه مرحله اصلي: فعال سازي، استيل دار کردن و هيدورليز توليد ميشوند.
استات سلولز يک سلولز استيله شده است ، که گروه هاي هيدروکسيل سلولزي در زنجيره آن به طور جزئي يا کامل
استيله شده اند[١٦].
شکل ١. ساختار شيميايي سلولز استات (Cellulose Company,Daicel )
استات سلولز يک پليمر طبيعي اصلاح شده با خواص متنوعي است [٤،١٣]که مي توان آن را در دامنه اي از درجات استخلاف * (DS)توليد کرد،که همين ويژگي پتانسيل گستره وسيعي از ويژگي ها را به وجود مي آورد. اين خواص ، کاربرد استات سلولز را در محصولاتي چون منسوجات ، پلاستيک ها، فيلم ها وفيلتر هاي سيگار تسهيل مي کنند. با توجه به اينکه توليد جهاني مواد استات سلولزي ٨٠٠ هزار متريک تن در هر سال ميباشد (شکل ٢) و در ميان محصولات توليدي استات سلولز برخي از آنها مصرفي بوده و بعد از استفاده دور ريخته شده ودفن مي شوند ويا با تجهيزات به کمپوست تبديل مي شوند،در نتيجه آگاهي از روند تجزيه واثر آنها بر محيط زيست مهم است و خوشبختانه محصولات استات سلولزي به خاطر پايه سلولزي وطبيعي که دارند، زيست تخريب پذير بوده و قابل بازيابي هستند[٧].استات سلولز يک محصول کاملا تکامل يافته است و تخمين زده مي شود که بازار جهاني آن سالانه ٢-١درصد رشد کرده و ميزان توليد آن در سال ٢٠١٥ به ٨٥٠-٨٤٠ هزار تن خواهد رسيد. بازارجهاني فيبر هاي استات سلولزي توسط شرکت هاي توليد کننده فيلتر هاي سيگار و الياف نساجي کنترل مي شود[١١].
استات سلولز داراي خواصي چون شفافيت ، سختي،ثبات ابعادي، براقيت عميق و مقاومت بالاي شيميايي و حرارتي است . فرآوري سلولز استات با آماده سازي آن در اشکال متنوعي همچون پودر،گرانول ،فلاک والياف صورت مي گيرد و در کاربردهاي وسيعي چون فيلتر سيگار،الياف نساجي،پوشش دهنده ها، پلاستيک ها، غشاهاي فيلتراسيون ، نوارهاي مغناطيسي کامپيوتر، محصولات بهداشتي و نوار هاي پانسمان ، فيلم هاي عکاسي و...به کار برده مي شوند[٣].
توليد صنعتي استات سلولز :
در تمام فرآيندهاي صنعتي شده امروزي ، هدف توليد سلولز تري استات استخلاف شده (٢.٩ DS) به عنوان محصول اوليه است . اين محصول يا جداسازي شده و فرآوري مي شود و يا تحت يک شرايط همگن استيل زدايي جزئي، به استات ثانويه بادرجه استخلاف بين ٢.٥-١.٨ (عمدتا نزديک به ٢.٥) تبديل مي شود(شکل ٣). اغلب سلولز استات با فرآيند انحلال ، به طور متداول از لينتر پنبه و خمير سولفيت نرم چوب ها يا خمير پيش هيدروليز شده سولفات به عنوان ماده اوليه توليد مي شود.توليد اين مشتق با حلال هاي استيلاسيون و شرايط فرآيندي مختلف ، متفاوت است . مثلاً فرآيند استيک اسيد، بخش اعظم توليد با مقاصد تجاري را پوشش ميدهد. در فرآيند صنعتي، روش هاي فعال سازي متفاوتي به کار مي روند که عمدتاً مايع فعال سازي استيک اسيد و گاهي ترکيب شده با سولفوريک اسيد را شامل مي شود. بعد از فعال سازي، فرآيند استيلاسيون انجام ميشود، که بدليل گرمازابودن واکنشها به شدت تحت تاثير دما مي باشد. کنترل دما در اين مرحله با افزودن استيک اسيد يخ زده ، خنک کردن غير مستقيم ديواره هاي راکتور و نيز خنک کردن مستقيم با تبخير حلال انجام ميشود. پارامتر مهم ديگر اين مرحله غلظت مواد جامد است ، که غلظت بالاي آن حجم راکتور و مقدار استيک اسيد را کاهش ميدهد. در صورتيکه غلظت پايين مواد امکان انتشار مواد را فراهم نموده و مانند يک خنک کننده داخلي عمل ميکند. در محلول استيلاسيون ، استيک اسيد تنها و يا در ترکيب با متيلن کلريد به عنوان حلال براي تشکيل سلولز تري استات حضور دارند و واکنش با استفاده از سولفوريک اسيد کاتاليزور ميشود. پس از استيلاسيون واکنش هاي هيدروليز با هدف کاهش درجه استخلاف صورت مي گيرد. پارامترهاي تعيين کننده اين مرحله غلظت آب ، زمان واکنش ، دما و غلظت اسيد سولفوريک است . بعد از هيدروليز واکنش با روش ته نشيني و يا خنثي سازي متوقف مي شود. در فرآوي سلولز استات توليد شده ، ماده ته نشين شده با روش هاي پيوسته يا ناپيوسته تا خنثي شدن PH شستشو مي شود. پس از شستشو، به منظور کاهش مصرف انرژي در مرحله حرارتي ، آب با فشار مکانيکي از ميان الياف خارج ميشود. خشک کردن حرارتي سلولز استات در دماي کمتر از ١٠٠درجه سانتي گراد انجام ميشود[٦].
شکل ٢. واکنش هاي توليد سلولز استات (Cellulose Company,Daicel )
خواص سلولز استات :
استات سلولز ماده اي با گسترده وسيعي از رفتارها و کاربردها است . ممکن است در استات سلولز هر سه گروه هيدروکسيل از واحدهاي مونومري سلولز استيله شده باشند، يا تنها دو يا يک گروه هيدروکسيل به صورت تصادفي و يا آماري استيله شده باشند.
