بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه ساخت نانو کاغذ به روش انحلال جزئی مورد بررسی قرار گرفته است. انحلال جزئی روشی ساده و ارزان برای دستیابی به نانو ساختارهای سلولزی است. الیاف سلولزی بطور مستقیم و بدون پیش تیمار شیمیایی یا مکانیکی با حلالهای خاصی به نانو الیاف سلولزی تبدیل میشوند. ژل سلولزی ساخته شده با انحلال جزئی سلولز، با عملیات خروج حلال و پرس تحت حرارت رسوب میکند که در این صورت فیلم شفاف نانوسلولزی ساخته میشود که به نانوکاغذ معروف است.
نانو کاغذ نسبت به نمونه کاغذ اولیه، از شفافیت و مقاومت بسیار بالاتری برخوردار است. مکانیسم انحلال به این صورت است که بعد از خروج حلال و در طی مراحل پرس و خشک کنی، زنجیره ها به هم نزدیک شده تا در یک فاصله معینی فرآیند خودچسبندگی و درهمرفتگی بین زنجیره ها اتفاق می افتد. با این وضع، نانوکریستال ها و نانوفیبریلهای درون هر میکروفیبر به هم و با نانوساختارهای میکروفیبرهای مجاور جوش می خورند.
پدید آمدن نانوجوشکاری سبب پر کردن انفصال های طبیعی موجود بین نانوفیبریل ها و نانوکریستال ها شده و نانو فرآوردههای مرکب با ساختاری پیوسته و یکنواخت پدید میآید . هدف از این مطالعه معرفی دو حلال متداول بکار رفته در روش انحلال جزئی و بررسی کاراییها و همچنین بررسی نانو کاغذ در حین انحلال میباشد. دستیابی به این روش به معنای صرفه جویی در هزینه و زمان و نیز آسانسازی فرآیند ساخت نانو فرآوردههای مرکب است که می تواند به تولید مقیاس بالا و کم هزینه نانو فرآوردههای مرکب منجر شود.
-1مقدمه
سلولز فراوانترین پلیمر زیست تخریبپذیر و تجدیدشونده طبیعی میباشد که هر ساله در طبیعت تولید میشود. منسوجات، پوشاک وکاغذ متداولترین مواد مصرفی بشر، هستند. سالیانه حدود 100میلیارد تن سلولز در طبیعت تولید میشود. قسمت اعظم این مقدار، بصورت خالص - مانند آنچه در لینتر پنبه وجود دارد - نیست بلکه در ترکیب با لیگنین و سایر پلیساکاریدها - همی سلولزها - در الیاف گیاهان چوبی وجود دارد که جهت استحصال آن عموما از روشهای شیمیایی و مکانیکی استفاده میکنند - ظهوریان مهر 8:1386و. - 9 فرآوردههای کاملا سلولزی به عنوان فرآوردهای سبز با مقاومت بالا مورد توجه محققین و صنعتگران قرار گرفتند.
اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه توسط نیشینو درسال 2004 بر روی الیاف رامی انجام گرفت که فرآورده ساخته شده قابل مقایسه یا دارای مقاومت بیشتر نسبت به فرآوردههایی بود که از الیاف شیشه به عنوان تقویت کننده استفاده شده بود. این فرآوردههای مرکب بخاطر اینکه یکی از اجزای آن در یک یا دو بعد در محدوده نانو قرار دارند به نانو فرآوردههای کاملا سلولزی نیز معروف هستند . - Nishino et al2004: 7683-7687 - نانوکاغذ اصطلاحا به فیلمهایی گفته میشود که %100 از نانوساختارهای سلولزی تشکیل شده باشد.
برخلاف کاغذ معمولی، نانوکاغذ مستحکم، شفاف و دارای نفوذناپذیری بالایی میباشد و نانوساختارهای سلولزی آن میتواند از طریق روشهای مختلفی نظیر همگنسازی - Henriksson et al2008: 1579-1585 - اکسیداسیون Saito et al2007: 2485-2491 - TEMPO؛ - Sehaqui et al2011: 3638 3644 سوپرآسیاب - Yousefi et al2012: - 732- 737، انحلال جزئی - Yousefi et al2011: - a - 4080 4085, - b - 559-564 - تهیه گردند. در این مطالعه بناست تا روش انحلال جزئی برای ساخت نانوکاغذ بررسی شود. در این نوع خاص از نانوکاغذ 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 نانوکاغذها واژه نانو فرآوردههای تمام سلولزی نیز اطلاق میگردد.
-2انحلال جزئی روش شیمیایی ساخت نانو کاغذ
وجود لیگنین و همی سلولزها در ساختار شیمیایی الیاف خمیر بر توانایی الیاف سلولزی در متورم شدن موثر می باشد. تورم درون بلوری میتواند به وسیله محلول غلیظ بازی یا اسید قوی و برخی نمکها روی دهد. این نوع تورم بردو نوع می باشد محدود یا نامحدود، در مورد اول عامل متورمکننده با سلولز بلورین و منظم به نسبت استوکیومتری معین ترکیب می شود، اما پیوندهای بین لیفچهای را بطور کامل از بین نمیبرد. نوع دوم تورم مربوط به مواردی است که عامل متورمکننده حجیم است و با سلولز کمپلکس-هایی تشکیل میدهد، در نتیجه پیوندهای بین زنجیری میشکنند و انحلال تدریجی سلولز روی میدهد. سلولز قادر است در حلالهای مختلف متورم شود، میزان تورم سلولز به حلال و نوع سلولز وابسته است.
بنابراین انتخاب حلال مناسب برای این روش دارای اهمیت است - میرشکرایی. - 88:1381 بطور معمول سلولز در آب و حلالهای آلی متداول قابل حل نیست. انحلال جزیی روشی برای ساخت تمامی فرآوردههای تمام سلولزی می باشد. دو حلال متداول برای انحلال به این روش وجود دارد که یکی از آن-ها، لیتیوم کلراید/دی متیل استامید1 میباشد. سیستم انحلال با لیتیوم کلراید/دی متیل استامید توسط نیشینو، گیندل و ککس برای ساخت فرآوده تمام سلولزی مورد استفاده قرار گرفت. در این روش قبل از انجام عمل انحلال، پیش تیمار با آب مقطر ، استون و متانول و سپس دی متیل استامید صورت می گیرد.
-1-2 حلال آلی :کلرید لیتیم/دی متیل استامید - LiCl/DMAc -
دی متیل استامید حلال شناخته شدهای برای سلولز است. این ماده قادر است به تنهایی مشتقات سلولزی از جمله استات سلولز یا هیدروکسی پروپیل سلولز را در خود حل کند . - Marsano and Bianchi1984:2886-2889 - دی متیل استامید تنها در شرایطی که با لیتیوم کلراید ترکیب شود، میتواند سلولز طبیعی - سلولز - I را حل کند شکل - . - 1 در سال 1980 مک کرمیک لازمه انحلال سلولز را وجود لیتیوم کلراید در کنار دی متیل استامید معرفی کرد ازجمله کاربردهای حلال دی متیل استامید/ لیتیم کلراید:
· ترکیب دو ماده لیتیوم کلراید و دی متیل استامید به عنوان ماده استاندارد جهت محاسبه وزن مولکولی سلولز مورد استفاده قرار میگیرد - Timpa1991: 270-275 -
· استیلدار کردن سلولز در محیطی همگن و ساخت مشتقات سلولزی با درجات استخلاف پایین مفید است - Ass et . - al2006: 1696-1702
• حلال کلرید لیتیوم/دی متیل استامید قادر است منابع سلولزی با وزن مولکولی بالا را در خود حل کند.
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 . - Bianchi, et al1989: 1477-1484 - دی متیل استامید لیتیم کلراید ماده ای است آبدوست که منجر به تخریب سلولز به صورت تصادفی و غیر قابل کنترل میشود. دی متیل استامید به تنهایی سلولز را حل نمیکند. دی متیل استامید قابلیت نفوذ بالایی دارد و در ترکیب با LiCl قطبیتش را بالا میبرد و کاتیونی می شود و ساختار سلولز را تغییر می دهد شکل . - 1 -
