بخشی از مقاله
چکیده
سلولز پلیمر زیستی است که به طور فراوان در ساختمان گیاهان مختلف چوبی و غیر چوبی و یا موجودات زنده یافت میشود. سلولز ماده ای شفاف، ارزان، سازگار با محیط و همچنین زیست تخریب پذیر است. سلولز دارای مقاومت ویژه و مدولهای مقاومتی زیاد، خاصیت عایقی قابل توجه و رسانایی حرارتی کمی میباشد. سلولز بطور طبیعی دارا بودن ساختار نانویی میباشد که فرآیندهای استخراج آنها متفاوت است. استفاده از نانو مواد سلولزی مانند سلولز میکروفیبریله شده و نانو سلولز کریستالی توجه بسیاری را برای تقویت پلیمرهای مختلف به خود جلب کرده است. خواص منحصر به فرد سلولز منجر به دستاوردی جدید به نام نانوکاغذ گردیده است.
نانوکاغذ محصولی کاملا سلولزی میباشد که همچون سایر فرآوردههای زیستی در رقابت با محصولات غیر زیستی میباشد. در این تحقیق نانوکاغذ با روش انحلال جزئی در حلال دی متیل استامید/لیتیم کلراید مورد بررسی قرار گرفته است. نانوکاغذ حاصل با این روش بعنوان فرآورده مرکب کاملا سلولزی شناخته میشود. تهیه نانوکاغذ با این روش بدین صورت است که طی عمل انحلال جزئی ساختارهای نانو سلولزی آزاد میشوند و در نهایت با افزایش سطوح ذرات و به همراه آن کاهش منافذ و افزایش پیوندهای هیدروژنی پس از خروج حلال، از کاغذ معمولی محصولی متمایز با خواص مقاومتی و شفافیت خارق العاده تهیه میشود هدف از این تحقیق آشنایی با حلال دی متیل استامید/لیتیوم کلراید در ساخت نانوکاغذ است.
-1مقدمه
امروزه یکی از مسائل مطرح در صنایع تولیدی، آلودگی محیط زیست در اثر انباشت پلیمرهای غیر قابل تجزیه میباشد. برای غلبه بر این مشکل و به حداقل رساندن اثرات منفی وارد بر محیط زیست، تمایل روزافزونی به پلیمرهای طبیعی زیستتخریبپذیر1 شده است. استفاده از سلولز در مقیاس نانو به خاطر مقاومت و سختی بالا، وزن کم و زیست تخریبپذیری در تولید ترکیبات زیستی مطالعه شده است. تلاش های زیادی در جهت استفاده از مقاومت بالای سلولز بشکل الیاف سلولزی در تقویت ماتریس های گرمانرم و گرماسخت انجام گرفته است که باعث محدودیت در خواص مقاومتی این محصولات شده است که علت آن را عدم سازگاری الیاف سلولز با سایر ساختارها میدانند.
بنابراین استفاده از الیاف سلولزی در ساختار مواد مرکب با محدودیت مواجه است - Duchemin et . - al2009:2031-2037 به منظور حل این مشکل و مشکلاتی از این دست فرآورده های تمام سلولزی پا به عرصه فرآورده های زیست تخریب پذیر گذاشتند. در این نوع خاص از فرآورده های تمام سلولزی سلولز نوع I، سلولز نوع ,, و بخشهای غیرکریستالی حاصل از انحلال جزئی وجود دارند. این اجزا از لحاظ شیمیایی مثل هم بوده لیکن از نظر فیزیکی و مکانیکی متفاوتند لذا به این نوع از فرآورده های تمام سلولزی واژه نانوکاغذ نیز اطلاق میگردد. اولین بار فرآورده تمام سلولزی توسط نیشینو و همکاران تولید شد. استفاده از روش های جدید در ساخت این مواد ایزوتروپیک به تولید نانو فرآوردههای تمام سلولزی منجر شده است.
نانو کاغذ یک فیلم شفاف ساخته شده از شبکه الیاف نانو سلولزی میباشد. نانو کاغذ مشابه کاغذ معمولی، شبکه ای از الیاف بوده با این تفاوت که دارای ابعاد نانویی میباشد، با توجه به شباهت ساختاری آن با کاغذ معمولی برتریهایی نسبت به آن دارد که خواص مکانیکی بالا و تخلخل کم و شفافیت مناسب از آن جمله میباشد - . - Kulachenko et al2012:793-807 در این مطالعه، روش انحلال جزئی که به عنوان یک تکنیک ساده و سریع جهت تولید نانوسلولز بوده و توسط محققان ایرانی معرفی شده مورد استفاده قرار میگیرد.
-2 حلال دی متیل استامید/لیتیم کلراید
دی متیل استامید بعنوان حلال سلولز شناخته شده است. این ماده قادر است به تنهایی مشتقات سلولزی از جمله استات سلولز یا هیدروکسی پروپیل سلولز را در خود حل کند - . - Marsano et al1984: 2886-2889 دی متیل استامید فقط در صورتی که با لیتیوم کلراید ترکیب شود، قادر است سلولز طبیعی - سلولز - I را در خود حل کند. - . - Mccormick & Dawsey1990:3606-3610 ترکیب دو ماده لیتیوم کلراید و دی متیل استامید به عنوان ماده استاندارد جهت محاسبه وزن مولکولی سلولز مورد استفاده قرار میگیرد . - Timpa 1991: 270-275 - مطالعات NMR نشان داده است که این حلال با سلولز پیوند برقرار نمیکند همچنین این مشاهدات با مقایسه وزن مولکولی سلولز به اثبات رسیده است.
مطالعات نشان داد که حلال مورد نظر در بررسی توزیع وزن مولکولی سلولز موثر است - . - Bikova & Treimanis2002:23-28 حلال دی متیل استامید/ لیتیم کلراید برای استیلدار شدن سلولز در محیطی همگن و ساخت مشتقات سلولزی با درجات استخلاف پایین مفید است . - Ass et al2006:1696-1702 - محلول ویسکوز سلولز /دی متیل استامید/لیتیم کلراید قابل مخلوط شدن و بازیابی میباشد . - Ramos et al2005:2638-2647 - مقاومت کششی الیاف بدست آمده از انحلال، حداکثر 350 مگاپاسکال و مدول الاستیسیته حداکثر 22 گیگا پاسکال پیش بینی شده است. حلال را میتوان با نرخ بالا بازیابی کرد تا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.
حلال کلرید لیتیوم/دی متیل استامید قادر است منابع سلولزی با وزن مولکولی بالا را در خود حل کند. انحلال سلولز در حلال دی متیل استامید /کلرید لیتیوم بدون پیش تیمار - عملیات فعال سازی - امکان پذیر نخواهد بود . - Ishii et al2007:3976-3984 - برای این منظور کاغذ قبل از فرآیند انحلال در مواد مختلفی خیسانده شد تا عمل انحلال در حلال دی متیل استامید/کلرید لیتیوم بدرستی انجام شود. دی متیل استامید/کلریدلیتیوم حلال بسیار قوی سلولز میباشد که قادر است سلولز را در دمای محیط حل کند.
فاکتورهای موثر بر انحلال سلولز شامل - زمان، دما، شیوه اختلاط حلال با سلولز - و فاکتورهای مهمی چون غلظت کلرید لیتیوم، درجه پلیمرشدن، بلورینگی و اندازه بلورهای منبع سلولزی اولیه میباشد - . - Fink et al2001:1473-1524 در عملیات انحلال سلولز در حلال آلی کلرید لیتیوم/دی متیل استامید منجر به واکشیدگی زنجیرهای سلولزی میشود . - Dupont 2003:4117-4126 - انحلال به این صورت انجام میشود که یون های حلال بسرعت در ابتدای واکنش با نواحی آمورف در ارتباط قرار میگیرند و باعث افزایش واکشیدگی و در نهایت فروپاشی ساختار آمورف سلولز میشود . - Stryuk et al2005:145-149 - نفوذ حلال بدرون ساختار سلولزی با افزایش شفافیت ژل نانوسلولزی قابل مشاهده است.
-3 فرآیند انحلال
راهکار انحلال جزیی قابل استفاده برای ساخت تمامی فرآوردههای تمام سلولزی می باشد. بنابراین انتخاب حلال مناسب برای این روش دارای اهمیت است. بطور معمول سلولز در آب و حلالهای آلی متداول قابل حل نیست. سیستم انحلال با لیتیوم کلراید/دی متیل استامید توسط نیشینو، گیندل و ککس برای ساخت فرآوردههای تمام سلولزی مورد استفاده قرار گرفت.
