بخشی از مقاله
خلاصه
تحقیقات مختلف نشان داده است مواد شیمیایی موجود در پلاستیکها بطور کلی می توانند سلامت انسان را تهدید کنند. نانو الیاف سلولزی طبیعی تجدیدپذیر با قابلیت زیست تخریب پذیری و بدون داشتن مواد شیمیایی مضر و با ویژگیهای ساختاری،کاربردی و نوری منحصر به فرد میتوانند به عنوان یک جایگزین مناسب برای پلاستیکهای شیمایی بکار گرفته شوند. در این تحقیق جهت تولید نانو الیاف سلولزی از فرآیند شیمیایی مونواتانول آمین استفاده شد. نتایج نشان داد فرآیند مونواتانول آمین باعث حفظ کربوهیدراتها و افزایش بازده تا میزان 60 درصد میشود. نتایج ترکیبات قندی نشان داد میزان زایلوز خمیرکاغذ مونواتانول آمین برابر با 34 درصد بود. سرعت عبور بخار آب در نانو الیاف سلولزی حاصل از فرآیند مونواتانول آمین کمتر از 10 g/m.s.Pa*10-1 میباشد که این امر باعث کاربرد منحصر به فرد آن در صنایع بسته بندی شده است.
کلمات کلیدی: مونواتانول آمین، نانو الیاف سلولزی، ترکیبات شیمیایی و قندی، بسته بندی.
.1 مقدمه
امروزه ، اکثر تحقیقات جهانی به جهت توسعهعموماً بر این امر متمرکز شده که چگونه نانوفناوری میتواند بازده تولید و منابع انرژی و کاربرد مواد را اصلاح کرده ، اثرات زیست محیطی صنعت را کاهش دهد،ویژگیهای سلامت را افزایش داده و محصولات دارویی بهتری تولید کند ،سطح کیفی و کمی کشاورزی و تولید غذا را افزایش داده و توانایی اطلاعات تکنولوژی را توسعه دهد . پیشرفتها در علوم مهندسی نانو مقیاس به عنوان پایه ی پیشرفت اقتصاد سیستمی در نظر گرفته می شود .
از نانوفناوری انتظار می رود ، قیمت مواد خام را در بعضی صنایع کاهش دهد ؛ و باعث اصلاح تولید در بعضی دیگر شود ؛ صنعتهاییکاملاً جدید را بوجود آورد ؛ و در حالیکه تقاضای بعضی از کالاها را کاهش می دهد ، باعث افزایش تقاضا برای بعضی دیگر شود. یک محصول سلولزی با کارایی تجاری و شگفت انگیز نانو الیاف سلولزی - NFC - می باشد. سلولز میکروفیبریله شده ای که از الیاف خمیرکاغذ تولید شده است، نشان داده اند که پتانسیل بالایی در انواع مختلف کاربردها مانند کاغذ، پوشش، ممانعت هوا، صنایع غذایی ،لوازم آرایشی بهداشتی، مواد دارویی و صنایع الکترونیک دارند . [1]
از سوی دیگر با مصرف سالانه نزذیک به 100 میلیون تن پلاستیک،توسعه جایگزینهای تجدید پذیر و زیست پایه امری ضروری می باشد. علاوه بر نگرانیهایی که در رابطه با دفن زباله وجود دارد ،مطالعات اخیر نشان داده است که مواد شیمیایی موجود در پلاستیکها بطور کلی می توانند سلامت انسان را تهدید کنند. به عنوان یک جایگزین برای پلاستیکهای نفتی،الیاف سلولزی طبیعی تجدیدپذیر با قابلیت زیست تخریب پذیری و بدون داشتن مواد شیمیایی مضر می باشند که می توانند برای توسعه مواد با ویژگیهای ساختاری،کاربردی و نوری منحصر به فرد بکار گرفته شوند .[2] نانوفیبرهای سلولزی پایهایترین جزء ساختاری گیاهان و موجودات حاوی سلولز میباشد که به دلیل مقاومت ویژه بسیار زیاد، شکل میلهای بلند با درجه تبلور نسبی بالا، سطح ویژه زیاد، ضریب لاغری زیاد، فعالیت شیمیایی سطحی زیاد، قیمت پایین ماده اولیه، تجدیدشوندگی و زیست تخریب پذیری، در طی دو دهه گذشته مورد توجه زیادی قرار گرفته است.[3]
چوب مهمترین منبع صنعتی الیاف سلولزی و بنابراین ماده خام اصلی استفاده شده برای تولید NFC است. در حال حاضر، منابع غیر چوبی گوناگونی برای تولید NFC استفاده میشود. به عنوان مثال میتوان از تفاله چغندر قند، کاه گندم، پوسته سویا، سیسال، باگاس، رامی و ... نام برد. بسته به نوع ماده لیگنوسلولزی، روش استخراج و محل تهیه الیاف، خواص سلولز بدست آمده - درجه کریستالیته، طول و قطر ذرات و مقاومت مکانیکی - متفاوت میباشد .[4] بدون در نظر گرفتن منبع، NFCعمدتاً از سوسپانسیون خمیر کاغذ بوسیله نیروی مکانیکی و با استفاده از روشهایی نظیر هموژنایزر، میکروفلویدایزر، سوپرآسیاب دیسکی و خردکنی تحت انجماد تولید میشوند، که همه اینها میزان مختلفی انرژی مصرف می کنند.
یکی از فرآیندهای متدوال خمیرکاغذ سازی، فرآیند خمیرکاغذسازی حلال آلی مونواتانول آمین - MEA - میباشد. فرآیند خمیرکاغذسازی با استفاده از مونواتانول آمین - - MEA، به علت اینکه این ماده قابلیت حفظ کربوهیدراتها و سیلیس را در خمیر کاغذ دارد، به نظر می رسد که یکی از راههای برون رفت صنعت خمیرکاغذ بر پایه محصولات کشاورزی از معضلات صنعتی باشد. به دلیل آنکه خانواده اتانول آمین ها ترکیبی از خصوصیات دو گروه الکل و آمین را دارا می باشند، این گروه مواد دارای خصوصیات منحصر بفردی هستند که واکنش های دو گروه را شامل می شوند. به عنوان آمین، تا حدودی قلیایی هستند و در واکنش با اسید ها نمک تولید نموده و صابونی می شوند و از طرف دیگر به عنوان الکل خالصیت آبدوستی دارند و می توانند اسپری شوند.
MEA می تواند به عنوان یکی از مشتقات آمونیاک که در آن اتم هیدروژن با یک گروه اتیل الکل جایگزین شده است یا به صورت فرآورده افزایشی آمونیاک به اکسید اتیلن در نظر گرفته شود. MEA به علت گروه آمینی بازی و کروه هیدروکسی که دارد هم به صورت آمین و هم به صورت الکل عمل می نماید. در حالت آمین به صورت قلیا و باز قوی pH - برابر با - 13/8 و یک عامل کاهنده عمل می کند .[5] اتانول آمین ها دارای دامنه وسیعی از مصارف مختلف هستند که می توان به شیرین کننده های گاز که از آنها به عنوان عوامل روان ساز و تمیز کننده استفاده می شود، اشاره نمود. علاوه بر این در پاک کننده ها و فرمولاسیون پاک کننده های خاص مورد استفاده هستند که نقش ساختن نمک های آمین و کنترل pH را بازی می نمایند. همچنین در ساختار بتن، به عنوان کاتالیست فوم اورتان، داروسازی، محصولات بهداشتی، مواد شیمیایی کشاورزی، محلول های عکاسی و غیره کاربرد دارند.
در خمیر کاغذسازی با آمین ها یک واکنش رودوکس اتفاق می افتد که در طی آن از یک سو کربوهیدرات ها پایدار می شوند و از سوی دیگر واکنش های کندانسه شدن لیگنین توسط واکنش های تبادلی با رادیکال های آزاد متوقف می شود و بطور همزمان انحلال لیگنین انجام می شود .[6] اتانول آمین ها می توانند نمک های معدنی و ترکیباتی آلی را کاهش دهند و به آمونیاک و آلدئید ها تجزیه شوند. در حضور چوب تجزیه MEA در نقطه جوش آن یعنی 170 °C اتفاق می افتد. در این حالت استالدئید و آمونیاک و همینطور اتیلن گلیکول در حضور آب تشکیل می شوند. در پایان استالدئید و آمونیاک می توانند مجدداً با یکدیگر ترکیب می شوند و -1 آمینواتانول - استالدئید- آمونیاک - را بوجود بیاورند که به کمک آنالیز کروماتوگرافی گازی از مایع سیاه پخت MEA شناسایی شده است. از بعد اقتصادی فرآیند MEA، این واکنش تجزیه در کنار واکنش های دیگر مونو اتانول آمین با اجزا تشکیل دهنده چوب می توانند اهمیت داشته باشند. مونواتانول آمین، پلی ساکاریدها را از طریق واکنش تراکمی با گروه های انتهایی آلدئیدی و تشکیل ایمین ها پایدار می نماید در این تحقیق به بررسی ویژگیهای نانو الیاف سلولزی تولید شده از کاه گندم با استفاده از فرایند خمیرکاغذسازی شیمیایی مونواتانول آمین - MEA - پرداخته شده است.
.2 مواد و روشها
نمونههای کاه گندم مورد آزمایش از مزارع ایالت هامبورگ در شمال کشور آلمان تهیه گردید. نمونهها پس از رسیدن به رطوبت تعادل جهت جلوگیری از تبادل رطوبتی و تغییر میزان رطوبت داخل کیسههای پلاستیکی بسته بندی شدند. سپس مقدار رطوبت نمونه های تمامی کیسه ها اندازه گیری شد. مونواتانول آمین نیز از شرکت بادن آلمان و در ظروف در بسته و تیره رنگ به مقدار100 لیتر تهیه گردید و تحت شرایط ایزوله جهت انجام آزمایشات به بخش شیمی چوب و فناوری شیمیایی چوب مرکز علوم چوب دانشگاه هامبورگ منتقل گردید.
اندازه گیری ترکیبات شیمیایی کاه گندم ترکیبات شیمیایی اندازه گیری شده در مورد کاه گندم و روشهای استاندارد مورد استفاده برای اندازه گیری این ترکیبات به شرح زیر بوده است: تهیه پودر طبق استاندارد شماره om 85 T 267، اندازهگیری مقدار خاکستر بر اساس استاندارد شماره om 93 T 211، تعیین مواد استخراجی محلول در حلال آلی طبق استاندارد شماره om 97 T 207، اندازهگیری سلولز طبق استاندارد شماره om 88 T 264، اندازهگیری لیگنین طبق استاندارد شماره om 97 T 222 آیین نامه TAPPI انجام گرفت. اندازه گیری ترکیب کربوهیدراتها و قندهای ساده بعد از یک هیدرولیز کامل توسط اسید سولفوریک 72% ، با دستگاه HPLC صورت گرفت.
در فرایند MEA، زمان پخت 45 دقیقه، دمای پخت 140 درجه سانتیگراد و نسبت مایع پخت به کاه گندم 4 به 1 در نظر گرفته شد. جهت انجام پخت از دیگ پخت پاندیا 80 لیتری بخش شیمی چوب و فن آوریهای شیمی چوب دانشگاه هامبورگ استفاده گردید. برای هر پخت از 2500 گرم ماده اولیه بر مبنای وزن خشک استفاده گردید. بعد از پایان هر پخت و شستشوی خمیرکاغذ و پس از آبگیری، درصد رطوبت آن تعیین شد و سپس با استفاده از توزین خمیر کاغذ خشک و وزن خشک کاه گندم مصرفی، بازده بعد از پخت خمیر کاغذ محاسبه شد. تولید نانو الیاف سلولزی نانو فیبریله کردن دوغاب الیاف پالایش شده در غلظت 0/24 درصد توسط دستگاه میکروفلویدایزر مدل M-110 EH شرکت Microfluidics انجام گرفت. ربرای ساخت فیلمهای NFC از دوغاب خمیرکاغذ نانو فیبریله شده با غلظت 0/24 درصد استفاده گردید.
در این تحقیق ساخت کاغذ NFC با گراماژ 30 g/m 2 مدنظر بود. یرای ساخت فیلمهای NFC از دستگاه کاغذساز نیمه اتوماتیک - Rapid-kothen - تحت خلا استفاده گردید. دوغاب وارد یک استوانه توخالی می شود که در قسمت پایین آن یک غربال - توری - فلزی قرار دارد و بر روی غربال یک غشا فیلتری از جنس پلی آمید با سطح مقطع 0/0317 متر مربع و اندازه مش 400 قرار گرفته است. بعد از فیلتراسیون، غربال که بر روی آن فیلم NFC تشکیل شده است به مدت 10 دقیقه در دمای 93 درجه سانتگراد و تحت خلا 200 bar خشک گردید. بعد از خشک شدن،فیلم NFC از توری جدا گردید و به مدت 24 ساعت در اتاق کلیما با رطوبت نسبی % 50 و دمای 22 درجه سانتیگراد قرار گرفت.
