بخشی از مقاله
چکیده:
بیو پلیمرها جایگرین مناسبی برای پلاستیک ها به شمار می روند اما به دلیل معایب خاص خود معمولا استفاده از یک فیلر مناسب ضروری به نظر می رسد. در این تحقیق نانو کریستال سلولز از لینتر پنبه تولید و ویژگی های آن مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور لینتر پنبه در اسید سولفوریک 65% هیدرولیز گردید و جهت خنثی سازی از دو غلظت 10 و 40 درصد سود استفاده شد در نهایت سوسپانسیون حاصل تحت تیمار اولتراسوند قرار گرفت. بازده فرایند 76/18% درصد تعیین شد که سوسپانسیون حاوی 2/77% ماده خشک می بود. محصول نهایی با استفاده از آزمون XRD و میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM تحت ارزیابی قرار گرفت. در صورت استفاده از سود 10% در مرحله خنثی سازی دیاگرام حاصل از آزمون XRD موید تولید نانو کریستال سلولز با درصد کریستالینیتی 84/59% بود. می توان گفت که روش استفاده شده یک روش سریع و آسان جهت تولید نانو کریستال سلولز می باشد.
واژه های کلیدی: نانو سلولز، کریستالینیتی، هیدرولیز اسیدی، پنبه
مقدمه
یک روش جدید برای بهبود خواص بیوپلیمرها با ورود فناوری نانو در زمینه علم پلیمر معرفی گردیده است. در این روش، پرکننده ها در ابعاد نانو وارد ماتریس بیوپلیمر می شوند و موادی تولید می گردند که اصطلاحا نانوکامپوزیت های بیوپلیمری نامیده می شوند. استفاده از نانو کریستال سلولز به دلیل خواص کاربردی مطلوب در تولید نانو کامپوزیت های بیو پلیمری در سال های اخیر توجه محققین در مجامع علمی و صنعتی را به خود معطوف کرده است. اما معایب فیلمهای زیستپلیمری، بهویژه خواص مکانیکی ضعیفتر و ویژگی آبدوستی بالاتر نسبت به پلیمرهای سنتزی، مانع گسترش استفاده از این مواد شده است.
استفاده از ضایعات کشاورزی و تبدیل ضایعات به محصولاتی با ارزش افزوده بالا از جمله راهکار های ارائه شده جهت کاهش هزینه های تولید در بخش کشاورزی و افزایش راندمان تولید و بهره وری در این زمینه می باشد که موجب استفاده بهینه از منابع در دسترس خواهد بود. الیاف کوتاه و کرک های چسبیده به پنبه دانه یا لینتر پنبه مناسب استفاده در صنعت نمی باشند و جزو ضایعات این محصول صنعتی محسوب می شوند. لینتر پنبه غنی از سلولز می باشد در صورتی که بتوان از لینتر پنبه نانو کریستال سلولز تولید نمود می توان ضایعات حاصل از الیاف نامرغوب پنبه را به محصولی با ارزش افزوده بالا تبدیل نمود.
پنبه یکی از محصولات استراتژیک می باشد که در صنایع نساجی و روغن کشی به کار برده می شود ولی الیاف کوتاه و کرک های چسبیده به پنبه دانه یا لینتر پنبه مناسب استفاده در صنایع مذکور نمی باشند و جزو ضایعات این محصول صنعتی محسوب می شوند.ویسکرها یا نانوکریستالهای سلولز، ذرات میلهای شکل با درجه تبلور بالا و سطح مشترک ویژه در حدود چند صد متر مربع در هر گرم هستند. این نانوساختارها به دلیل ساختار تککریستالی، شکل میلهای بلند و منظم، و همچنین قیمت پایین، گزینه مناسبی برای بهبود خواص مکانیکی پلیمرهای مصنوعی و طبیعی هستند. در دسترس بودن و قابلیت تجدیدشوندگی نیز از دیگر خصوصیات مهم این نانوذرات است .[1]
مواد نانوکامپوزیتی حاصل از نانوکریستال سلولز به دلیل غیرسمی و خنثی بودن در صنایع داروسازی، غذایی، کاغذسازی، آرایشی و بهداشتی و ساخت پروتزها در صنایع پزشکی استفاده میشود.سلولز ماده تشکیل دهنده دیواره سلولی گیاهان است. این ترکیب اولین بار در سال 1838 مورد توجه قرار گرفت. سلولز بصورت تقریباً خالص در رشته های پنبه وجود دارد. این رشتهها در تولید نخ و پارچه بافی و تولید پوشاک اهمیت فراوانی دارند. سلولز از واحدهای دارای قطر 35 آنگستروم تشکیل شده که آن ها را رشته های ابتدایی مینامند. این قطر اغلب درست است اما حتمی نیست.در تهیه نانو کامپوزیت کازئنات سدیم از نانو سلولز استفاده شده است این فیلم ها با اضافه نمودن نانو سلولز به محلول و خشک کردن آن تهیه شده اند.
افزودن نانو سلولز موجب افزایش خاصیت ممانعت کنندگی فیلم در برابر نفوذ بخار آب گردید ولی با افزایش غلظت فیلر این مشخصه دچار کاهش میشود. افزودن نانو سلولز همچنین موجب افزایش مقاومت به کشش فیلم ولی کاهش ازدیاد طول فیلم ها می شود .[2]تولید فیلم نشاسته با افزودن نانو سلولز توسط - Teixeira et al. - مورد بررسی قرار گرفته است. استفاده از نانو سلولز در ماتریس نشاسته موجب کاهش خصوصیت آبدوستی فیلم های تهیه شده می شود به ویژه زمانی که پلاستی سایزر مورد استفاده گلیسرول باشد .[3]
- Kaushik et al. - نانو کامپوزیت های نشاسته حاوی نانو سلولز تهیه کرده اند برای تهیه نانو سلولز این محققین پوشال گندم را ابتدا تحت تاثیر بخار آب قرار داده و سپس با اسید تیمار نمودند و سپس تحت فرایند مکانیکی با نیروی برشی بالا قرار دادند. خصوصیات مکانیکی نانو کامپوزیت حاصل با افزایش غلظت نانو سلولز تا 10% افزایش یافته سپس افزایش غلظت نانو سلولز تاثیر منفی بر خواص مکانیکی خواهد داشت .[4] امکان تولید نانو سلولز از غلاف نخود فرنگی و استفاده از آن در فیلم های تهیه شده از نشاسته نخود فرنگی بررسی شده است. در این شیوه غلاف نخود فرنگی تحت تیمار اسیدی با اسید سولفوریک قرار می گیرد که در فیلم های نشاسته مورد استفاده قرار می گیرد .[5]
بخش تجربی
میکروفیبریل سلولز از دو بخش کریستالی و آمورف تشکیل شده است، برای استخراج نانوکریستال سلولز از میکروفیبریل سلولز، بخشهای آمورف توسط هیدرولیز اسیدی حذف و نواحی کریستالی باقی می ماند [6]نانوکریستال. سلولز عموماً توسط یک روش دو مرحله ای تهیه میشود. در میان همه روش-های آماده سازی، هیدرولیز اسیدی با اسیدهیدروکلریک یا اسیدسولفوریک %60 وزنی و سپس خردکردن، روش معمول تهیه نانوکریستالهای سلولز است که در این عمل مناطق آمورف از مولکول سلولز حذف میگردد 7] و .[8در این پژوهش نانوکریستال سلولز یا نانورشتههای سلولز از لینتر پنبه استخراج شد. لینتر پنبه توسط قیچی به قطعات کوچکی تقسیم شده و سپس با آب مقطر شسته شد.
بعد از این مرحله عمل هیدرولیز اسیدی با استفاده از اسید سولفوریک %65 وزنی و با نسبت %20 وزنی فیبرهای پنبه صورت گرفت. فرآیند استخراج رشتهها توسط هیدرولیز قوی بر اساس این واقعیت است که مناطق کریستال در اسید حل نشده و باقی میمانند به عبارت دیگر ساختمان نامنظم مولکولهای سلولز در مناطق آمورف حساس به عمل اسید بوده و عمل هیدرولیز در این قسمت صورت میپذیرد .[9] هیدرولیز در دمای 55˚ C و به مدت 2 ساعت تحت همزنی مداوم صورت پذیرفت.به منظور خنثی سازی از سود با غلظت 10% و 40% استفاده شد بدین منظور عمل تیتراسیون تا رسیدن محلول به 5/5 -6 ادامه یافت پس از مرحله خنثی سازی به مدت 1 ساعت و به فواصل زمانی 15 دقیقه عمل شستشو با آب مقطر انجام یافت.
در نهایت سوسپانسیون به مدت 15 دقیقه تحت عمل اولتراسوند با قدرت 40 kHz قرار گرفت جهت اطمینان از تولید نانو کریستال سلولز نمونه حاصل تحت آزمون پراش اشعه ایکس قرار گرفت.جهت تعیین راندمان تولید میزان محصول مفید به دست آمده یعنی نانو کریستال سلولز به مقدار ماده اولیه مصرف شده یعنی لینتر پنبه تقسیم و در100 ضرب شد. از معادله زیر جهت محاسبه بازده فرایند استفاده شد.از آنجایی که روش استفاده شده منجر به تولید سوسپانسیون نانو کریستال سلولز می شود برای تعیین مقدار نانو کریستال سلولز تولید شده ماده خشک سوسپانسیون بر اساس روش استاندارد AOAC اندازه گیری شد .[10]برای تعیین شکل نانوکریستال سلولز به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد دستگاه مورد استفاده ساخت شرکت KYKY مدل EM 3200 می باشد که قدرت شتاب دهی الکترون ها 23 kv بوده و تصویر با درشت نمایی هایی مختلف از ساختار نانوکریستال سلولز تهیه گردید.
برای انجام آزمون پراش پرتو ایکس، پراش سنج Bruker مدل Advance D 5000 ساخت شرکت Siemens آلمان استفاده شد. برای انجام آزمون، ژنراتور تولید اشعه X در 40 kv و ma 30 تنظیم شده و نمونهها در معرض اشعه X با طول موج nm 0/1539 قرار گرفتند. تشعشعات باز تابشی از نمونه، در دمای محیط و در محدوده زاویه 2θ= 1 -40˚ جمعآوری و نمودار مربوط به شدت بازتابش آنها، رسم گردید. سرعت انجام آزمون، 1˚/min و اندازه گامها 0/05˚ بود. به منظور تعیین درصد کریستالینیتی نانو کریستال سلولز به دست آمده از روش سگال استفاده شد .[11] بر طبق این روش میزان کریستالینیتی سلولز برابر است باهمچنین از اطلاعات به دست آمده از دیاگرام اشعهx می توان اندازه ذرات نانو کریستال سلولز را نیز تعیین نمود. برای تعیین اندازه ذرات از رابطه شرر استفاده می شود.
نتایج و بحث
پس از انجام فرایند مذکور سوسپانسیون آبی پایدار نانو کریستال سلولز با 2/77% ماده خشک به دست آمد. میزان بازده فرایند بر اساس میزان ماده اولیه مصرف شده ومیزان محصول به دست آمده 76/18 درصد بود.
