بخشی از مقاله
چکیده
سالانه حدود میلیونها تن ذرت در جهان تولید می شود که چوب آن به عنوان مواد زائد کشاورزي دور انداخته یا سوزانده می شود. تا کنون این مواد زائد کشاورزي به عنوان منبع استخراج مواد سلولزي، کربن متخلخل، اتانول و ... به کار رفته اند. در تحقیق حاضر نیز هدف تهیه ذرات زیر میکرونی سرامیکی ازچوب ذرت و بررسی اندازه ذرات و توزیع اندازه آن می باشد. بدین منظور، پس از تهیه نمونه به روش حرارتی و یک مرحله آسیاکاري رو آن، توسط تکنیک هاي مختلفی از قبیل آنالیز توزیع اندازه ذرات، آنالیز ترکیب شیمیایی توسط پراش اشعه X، و میکروسکوپ نوري مورد ارزیابی قرار گرفت. مزیت اصلی این تحقیق تهیه ذرات سرامیکی با ارزش از مواد زائد کشاورزي با روشی ساده و سریع می باشد.
کلمات کلیدي :ذرات سرامیکی زیر میکرونی، چوب ذرت، مواد زائد کشاورزي
مقدمه
با توجه به صنعت رو به رشد و پیشرفت سریع تکنولوژي، استفاده از مواد سرامیکی بدلیل پایداري مکانیکی و شیمیایی، کاربرد زیادي دارد. بنابراین یافتن منابع اولیه تجدیدپذیر جهت تهیه و استخراج سرامیک ها از آن ضروري می باشد. براساس تحقیقاتی که تاکنون روي ساختار گیاهان انجام شده می توان آن ها را به عنوان یکی از این منابع طبیعی به کار برد]١.[ سنتز مواد از منابع طبیعی سال هاست که توجه تعداد زیادي از مهندسان مواد را به خود جلب نموده است و مطالعات بسیاري در زمینه ي تهیه سرامیک ها از گیاهان مختلف انجام شده است. بطوریکه در سال1975، لی و کاتلر از سبوس برنج به عنوان ماده اولیه در تهیه SiC استفاده نمودند ]٢.[ گیاهان طبیعی شامل مواد لیگنوسلولزي و الیاف کامپوزیتی ]٢[ با ساختار سلولی متخلخل در محدوده ي نانومتري تا مقیاس میلیمتري می باشند ]٣. [ تنوع مورفولوژیک و ساختاري در مواد گیاهی مانند چوب، ساقه، ریشه، برگ، میوه، گل، دانه، پوشش بذر - مثل پوسته برنج - ، چمن، الیاف و ... فرصت هاي منحصربه فردي را در طراحی و سنتز مواد با اشکال و میکروساختارهاي مختلف ایجاد می کند که تولید آنها به روش هاي مرسوم بسیار پرهزینه است ] ۴.[ اخیرا سنتز سرامیک هاي مهندسی از مواد زائد کشاورزي توجه ویژه اي را به خود جلب نموده است. در سال 2004 زلفرانک1 و همکارش، ساختار و مورفولوژي سرامیک Si/SiC تهیه شده از چوب کاج و چوب ممرز را بررسی نمودند و مشاهده شد که ساختار میکروسکوپی سرامیک تهیه شده از این چوب ها کاملا شبیه سرامیک تهیه شده به روش هاي مرسوم می باشد ]۵.[
در سال 2007 مالیک و همکارانش چوب انبه را تحت یک حرارت کنترل شده به صورت قالب کربن دار در آوردند و با نفوذ Si به درون آن، به سرامیک SiSiC دست یافتند ]۶.[ استفاده از گیاهان در تهیه مواد سرامیکی همچنین ادامه داشت، در سال ٢٠١٠ ماتی2 و همکارانش سنتز SiC را از گیاه بامبو مورد بررسی قرار دادند ]٢.[ در سال ٢٠١١ کورانتا3 و همکارانش از زائدات کارخانه تولید روغن آفتابگردان به عنوان ماده خام اولیه در تهیه سرامیک استفاده نمودند]٧.[ تولید ابزار مهندسی از مواد زائد کشاورزي بدلایل ترکیب شیمیایی بی نظیر، در دسترس بودن، تجدید پذیري، و هزینه پایین، انتخاب مناسبی می باشد که علاوه بر کاهش هزینه تولید، کمک شایانی به محیط زیست می نماید. چوب ذرت یکی از فراوان ترین ضایعات کشاورزي است که معمولا به عنوان زباله دور انداخته یا سوزانده می شود]٨.[ در حالیکه این ماده زائد کشاورزي شامل ذرات سرامیکی ارزشمندي است و می تون آن را به عنوان یک منبع تجدیدپذیر مواد اولیه]٩[ در کاربرد هاي مهندسی بکار برد. لذا این تحقیق به منظور تهیه ذرات سرامیکی زیر میکرونی از چوب ذرت انجام گشت.
فعالیت هاي تجربی
تهیه ذرات سرامیکی اغلب به روش هاي شیمیایی که کارپیچیده اي است انجام می شود، در این تحقیق از چوب ذرت به عنوان منبع تامین کننده سرامیک استفاده شده است. این ماده بی خطر که سالانه مقدار زیادي از آن به عنوان زباله دور انداخته می شود به روش حرارتی به ذرات سرامیکی قابل استفاده در کاربردهاي صنعتی تبدیل می گردد. جهت تولید ذرات سرامیکی مقدار Kg ١ چوب ذرت ابتدا توسط آب مقطر شسته شد تا آلودگی هاي آن در آب حل گردد سپس نمونه را در دماي 0 C١٠٠ تحت عملیات قرار داده تا رطوبت آن تبخیر شود. در مرحله بعد نمونه به مدت 3 ساعت در کوره اي با دماي 8000C کلسینه شد تا مواد آلی موجود در آن خارج گردند و به مواد سرامیکی خالصی دست یابیم.
در نهایت نمونه آسیا شد تا دانه هایی که در اثر حرارت آگلومره شده اند مجددا از یکدیگر جدا شوند. در هر یک از مراحل فوق به منظور محاسبه درصد ذرات سرامیکی موجود در چوب ذرت، کاهش وزن نمونه نیز اندازه گیري شد. پس از طی این مراحل جهت شناسایی فازهاي موجود در خاکستر و بررسی آمورف یا کریستالی بودن محصولات، نمونه تحت آنالیز XRD قرار گرفت. همچنین تصاویر میکروسکوپ نوري مربوط به خاکستر قبل و بعد از عملیات حرارتی با یکدیگر مقایسه شد و اندازه ذرات سرامیکی توسط دستگاه آنالیزتوزیع اندازه ذرات محاسبه گشت که میانگین اندازه ذرات تولیدي در حدود - nm - ۶/٧٠۴ تخمین زده شد.
نتایج و بحث
در جدول1 مقادیر وزن اولیه چوب ذرت و وزن خاکستر پس از انجام عملیات حرارتی و درصد آن قابل مشاهده می باشد، که از 1 کیلوگرم چوب ذرت مصرفی حدودا 20 گرم آن یعنی 2درصد از وزن کل مواد اولیه به خاکستر تبدیل شده است. جدول - 1 میزان خاکستر موجود در چوب ذرت در مرحله بعد، به منظور تعیین نوع فازهاي تشکیل دهنده نمونه از لحاظ کیفی - آنالیز کیفی - ، آزمایش XRD روي نمونه ي پودري انجام گرفت که نتایج آن درنمودارشکل 1 آورده شده است. پیک هاي موجود در این منحنی حاکی از کریستالی بودن محصول می باشد. همانطور که مشاهده می شود این خاکستر از مواد سرامیکی با ارزشی از قبیل Fe2O3, Al2O3,… تشکیل شده است.
