مقاله تولید نانوالیاف الکتروریسی فوق جاذب با استفاده از بتاگلوکان

بخشی از مقاله

چکیده

مواد پلیمری فوق جاذب - SAPs - ، شبکه های آبدوست هستند که میتوانند به مقدار زیادی آب یا محلولهای آبی را حفظ یا جذب کنند. اگرچه امروزه بیشتر پلیمرهای فوق جاذب به علت هزینه کمتر در قبال بازدهی بالای مواد سنتیک و پتروشیمیایی، برمبنای مونومرهای اکریلیکی هستند، دراین تحقیق برای حمایت از مسائل زیست محیطی، درصدد جایگزینی این محصولات با نوع طبیعی و دوستدار محیط زیست هستیم. دراین پژوهش نانو الیاف فوق جاذب جدید با استفاده از بتاگلوکان - BG - ، پلی وینیل الکل - PVA - ، پلی وینیل پیرولیدون - PVP - و مونت موریلونیت - MMT - ، به روش الکتروریسی تهیه گردید.

برای ایجاد اتصال عرضی با استفاده ازآمونیوم پرسولفات - APS - به عنوان آغازگر ومتیلن بیس آکریل آمید - MBA - به عنوان کراس لینک کننده مورد استفاده قرار گرفت. تاثیر میزان بتا گلوکان وPVP , PVA درمیزان تورم نانو الیاف فوق جاذب مورد بررسی قرار گرفت. قطر و ساختار نانو الیاف الکتروریسی شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، شناسایی گروه های عاملی موجود در نمونه توسط طیف سنجی مادون قرمز - FTIR - مورد بررسی قرارگرفت. نانو الیاف فوق جاذب تولید شده PVP/PVA/BG با نسبت های 50/12/6 درصد نشان داد که 1190% در آب متورم میشود.

کلمات کلیدی: نانو الیاف فوق جاذب، الکتروریسی، بتاگلوکان، پلی وینیل الکل، پلی وینیل پیرولیدون

-1 مقدمه

هیدروژل ها شبکه های پلیمری سه بعدی با چگالی پایین هستند که می توانند در مایعات، بدون اینکه حل شوند، متورم شوند .[1] به عبارتی هیدروژل ها مولکولهای پلیمری آبدوستی هستند که در آب شبکه ای شده اند. ظرفیت هیدروژل ها برای جذب آب فوق العاده است و می توانند تا هزار برابر وزن خود بشوند. پلیمرهای طبیعی و سنتزی برای تولید هیدروژل ها استفاده می گردد. شبکه ای کردن زنجیره پلیمری می تواند با روش های فیزیکی یا شیمیایی انجام شود .[2] پلیمرهای فوق جاذب، یکی از جذاب ترین مواد در تکنولوژی پلیمر های مدرن هستندکه قادر به جذب 1500 گرم آب در هرگرم فوق جاذب می باشند .[3]پلیمرهای فوق جاذب، شبکه های آزاد کراس لینک هستند که میتوانند مقدار زیادی آب در یک زمان کوتاه جذب کنند و آن را تحت فشار نیز حفظ نمایند.

بنابراین SAP مزایای زیادی نسبت به جاذب های آب سنتی مثل پنبه، خمیر، اسفنج و...دارند. امروزه پلیمرهای فوق جاذب در شکل دانه های ریز یا پودر با توزیع اندازه ذرات تولید می شوند. ازنقطه نظرجذب، ذرات کوچکتر به دلیل سرعت جذب بیشتر باتوجه به مساحت سطح مخصوص بالاتر ترجیح داده می شوند. اندازه های بزرگتر، سرعت جذب پایین ارائه می دهند. SAP به طور گسترده درمحصولات یکبارمصرف و دستمال های بهداشتی استفاده می شوند. آنها همچنین در بعضی کاربردهای تخصصی مثل کشاورزی، باغداری، کامپوزیت های آب بندی در کابل های راه دور، آتش نشانی وتحویل دارو به کار می روند .[4] اولین SAP تجاری در سال 1970 براساس نشاسته پیوندخورده با پلی اکریلونیتریل بود. از نقطه نظر شیمیایی اکثر موادSAP، به ویژه آنهایی که از نسل اول بودند، مدیون خواص جذب بالا از اکریلات و اکریل آمید هستند .[5]

نیستراند در سال 2010، امکان سنجی از لیگنو سلولزها به عنوان ماده اولیه برای تولید پلیمرهای فوق جاذب را بررسی کرد. به منظور استفاده از لیگنو سلولزها برخی پیش عملیات مورد نیاز بود. با این حال درآن زمان، پیش عملیات به اندازه کافی در دسترس نبود .[6] مارتینووا و همکاران در سال 2012، ورقه های نانو الیاف با خاصیت SAP را توسط پلی اکریلیک اسید همراه با عوامل کراس لینک کننده، تولید کرد. او ظرفیت جذب وسرعت جذب با ذرات فوق جاذب متداول را بررسی کرد. او به این نتیجه رسید که از نقطه نظر جذب، ذرات کوچکتر به علت نسبت سطح به حجم بالا، ترجیح داده می شوند .[4]حسین زاده درسال 2013 ، هیدروژل سوپرجاذب PVAبوسیله کراس لیک با گلوتارآلدئید را تولیدکرد .[7]

با این حال، فوق جاذب های متداول مصنوعی مبتنی بر نفت، با توجه به هزینه بالا، و تاثیر جدی بر محیط زیست، در برخی کاربردها محدود شده است.متداول ترین مواد برای آماده سازی SAP، اکریلیک اسید و آکریل آمید می باشد که هر دو از لحاظ زیست تخریب پذیری ضعیف هستند و ازآنجایی که حدود 90% از SAP در محصولات یکبار مصرف استفاده می شوند که اکثر آنها در نهایت درمحل های دفن زباله قرار داده شده یا سوزاتده می شوند. این تجمع قابل توجه از مواد SAP در محیط زیست، خود منجر به آلودگی آب و خاک و هوا می شود. برای رفع این مشکل توجه به منابع طبیعی در دسترس مانند پلی ساکارید ها و مواد کلی معدنی شده است. زمانی که SAP از پلی ساکاریدها تهیه شود ارزش تجاری و زیست محیطی بیشتر، همراه با هزینه های تولید پایین، تجدید پذیری بالا و زیست تخریپ پذیری بهتری دارند .[8] بنابراین طراحی و توسعه از فوق جاذب ها بر اساس مواد اولیه طبیعی در دسترس، علاقه زیادی رو به خود جلب کرده است .[9]

بتاگلوکان به طور گسترده درموجودات زنده مانند گیاهان، قارچ، مخمرها و باکتری ها وجود دارد. بساری ازمطالعات برای توصیف رفتار بیولوژیکی آن از قبیل ایمنی سیستم،فعالیت ضد توموری و کاربرهای بالقوه مرتبط به پزشکی کشف شده است .[10] بتاگلوکان محصول طبیعی از پلیمرهای گلوکز است که درتسریع فعالیت های تحریک کننده ایمنی بدن به خصوص در سایت های زخم موثر است .[11] بتا گلوکان، همچنین به عنوان داروهای گیاهی برای جلوگیری از سرطان، کاهش کلسترول، درمان دیابت، افزایش عملکرد ایمنی بدن به کار گرفته شده است .[ 12] ماهیت روش استخراج، تاثیر زیادی در ساختار و وزن مولکولی بتا گلوکان دارد. طیف گسترده ای از روشها برای استخراج و خالص سازی بتاگلوکان وجود دارد. استخراج با آب داغ رایج ترین روش استخراج بتاگلوکان است. سایر روش ها شامل استخراج قلیایی، استخراج با ماکروویو و اسخراج اسیدی است . [13 ]

نانو رس MMT، یکی از مفیدترین مواد نانو رس معدنی است و باتوجه به بهبود قابل توجه در خواص ترشوندگی، مکانیکی و حرارتی درمخلوط نانو الیاف با مقدار %10- 1 وزنی به عنوان پرکننده، توجه زیادی رو به خود جلب کرده است ومعمولا در بسته بندی وکاربردهای پزشکی استفاده می شود .[14]PVP، یک پلیمر محلول درآب با زیست سازگاری بسیار عالی است و توانایی بسیار بالا به جذب وحفظ آب دارد .[15] این یک پلیمر مصنوعی مهم باخواص کمپلکس وچسبندگی خوب، سازگاری فیزیولوژیکی عالی، مسمومیت شیمیایی پایین، حلالیت مناسب در آب و بسیاری حلالهای آلی مثل اتانول ودی کلرومتان می باشد .[16]PVA، یک پلیمرمصنوعی محلول درآب است و از پلی وینیل استات، از طریق هیدرولیز ساخته می شود .[17] و با توجه به زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری وخواص آبدوستی عالی آن موردتوجه می باشد و تشکیل الیاف بسیار عالی، غیر سمی می دهد .[18]

باتوجه به ویژگی های مطلوب آن در طیف گسترده ای کاربردهای پزشکی و دارویی استفاده می شود .[7]الکتروریسی، یک روش ساده و کارآمد برای تولید مداوم نانو الیاف است. نانوالیاف الکتروریسی شده تعدادی ویژگی جالب مانند مساحت سطح به حجم بالا، تخلخل بالاو اندازه منافذ کوچک درون الیاف می باشد. این ویژگی های منحصر به فرد منجر به کارگیری نانو الیاف الکتروریسی شده در طیف گسترده ای ازکاربردها ازجمله فیلتراسیون، بهبود زخم، لوازم آرایشی وبهداشتی، تبدیل و ذخیره سازی انرژی و پزشکی داشته باشد .[15] هدف از این مطالعه ، تولید نانو کامپوزیت سوپرجاذب با استفاده از PVP-PVA-BGو نانو رس MMT از طریق روش الکتروریسی مقرون به صرفه و کارآمد است. این روش خیلی آسانتر از روش پلیمریزاسیون است که در حال حاضر استفاده میشود.

-2 مواد مورد نیاز:

PVP با وزن مولکولی 40000 g/mol با فرمول - C6H9NO - n از شرکت مرک، PVA باوزن مولکولی 72000 g/molبا فرمول - C2H4O - n از شرکت مرک، بتاگلوکان از شرکت Biovelop International AB سوئیس، MBA باوزن مولکولی g/mol 154/17 بافرمول - - C7H10N2O 2 ازشرکت مرک، APS باوزن مولکولی 228/19 g/molبا فرمول - - H8N2O8S 2 از شرکت مرک و نانو رس 3-1 - MMTنانومتر عرض،200- 100 نانومتر طول، 1 نانومتر ضخامت در هر لایه - از شرکت سیگما آلدریچ خریداری شد. آب مقطر و هیدروکسید سدیم با فرمول NaoH به عنوان حلال برای آماده سازی محلولها استفاده شد.

-3 دستگاه ها و روش ها
-1-3 تهیه محلول ها

محلول های PVP با درصدهای 40%و%50 و% 60 از حل کردن پلیمردر آب مقطر توسط همزدن مغناطیسی درمدت 2 ساعت تهیه شد. محلول های 4%و%BG 6 در سود 0/25 مولار و محلول های 12% و%PVA 14 نیز درآب مقطر در دمای 90 درجه سانتیگراد توسط همزدن به مدت 2ساعت تهیه شدند. سپس PVA ,PVP ,BG با نسبت های مختلف با همدیگر مخلوط شد و به مدت 1 ساعت با همزن مغناطیسی هم زده شد تا مخلوط همگن بدست آید.در انتها APS هم با غلظت%1 نسبت به حجم کل، MBA با نسبت%2 و نانو رسMMT با نسبت وزنی 3 درصددرآب حل شد و به ترکیب فوق اضافه شد و به مدت 4 ساعت روی استیرر هم زده شد تا محلول کاملا هگمن بدست آید و آماده الکتروریسی شود.

-2-3 الکتروریسی
برای ساخت نانو الیاف از روش الکتروریسی استفاده شد. در فرایند الکتروریسی، یک ولتاژ الکتریکی بین یک قطره از محلول پلیمر قرار داده شده در انتهای نازل رشته ساز و یک صفحه جمع کننده به کار برده میشود. وقتی میدان الکتریکی اعمال شده برکشش سطحی قطره غلبه میکند، جت ازمحلول پلیمر که توسط میدان الکتریکی کنترل شده خارج میشود. جت رشد کرده و طولانی تر شده تازمانی که در صفحه جمع کننده به عنوان نانو الیاف جمع شود.هر یک از محلول های مورد نظر در سرنگ های 5 میلی لیتری قرار داده شد. سپس سرنگ ها در داخل دستگاه الکتروریسی قرار گرفتند. آزمون های متعددی برای یافتن پارامترهای مناسب جهت به دست آوردن نانوالیاف مورد نظر با کمترین گره - بید - ممکن، انجام شد.

پس از انجام این آزمون ها، فاصله نوک سرنگ تا صفحه جمع کننده 10 سانتی متر، ولتاژ 18 کیلوولت وسرعت خروج محلول از سرنگ 0/1 میلی لیتر بر ساعت انتخاب شد. سرعت بالاتر از این مقدار باعث ایجاد بید و سرعت پایین تر از این مقدار به دلیل کند شدن خروج محلول از سرنگ باعث گرفتگی سر سرنگ می شد . الکتروریسی در دمای 23 درجه سانتیگراد، رطوبت 44% انجام گرفت. پس از تولید نانو الیاف، به منظورجلوگیری از حل شدن نانو الیاف درآب و همچینین افزایش استحکام و مقاومت مکانیکی، فرایند ایجاد اتصالات عرضی توسط آمونیوم پرسولفات به عنوان آغازگر و متیلن بیس اکریل آمید به عنوان عوامل شبکه ای کننده وقرار دادن نانو الیاف در آون در دمای 130درجه سانتیگراد و به مدت 10 دقیقه انجام شد. انجام این