بخشی از مقاله
چکیده
با افزایش جمعیت و پیدایش فناوریهای جدید و استفاده زیاد از مواد شیمیایی مثل فرمالدهید سبب شده تا سلامتی انسان و محیط زیست به خطر بیفتد. امروزه اغلب وسایل داخل ساختمان و وسایل مورد نیاز جامعه مانند: تخته لایه، تخته خردهچوب، ام دی اف، رنگ، لوازم آرایشی، چسب و بسیاری محصولات دیگر در فرمول ساخت آنها از فرمالدهید استفاده میشود. فرمالدهید برای انسان بسیار خطرناک بوده و منجر به بروز سرطان میشود. استفاده از مواد و روش-هایی که باعث جایگزینی فرمالدهید یا کاهش انتشار فرمالدهید شود و دوستدار محیط زیست باشد به صورت نیازی ضروری احساس میشود. نانوسلولز فراوانترین پلیمر زیستی و دارای خصوصیات جالبی همچون تجدیدپذیری، خواص ممانعتی بالا، قیمت پایین، سطح ویژه بالا، مقاومت ویژه بالا و... است، لذا در سالهای اخیر از آن به عنوان یک پرکننده و تقویت کننده زیست تخریبپذیر برای نانوکامپوزیتها استفاده میشود.
واژههای کلیدی: انتشار فرمالدهید، نانوسلولز، محیط زیست، ماده زیست سازگار
مقدمه
اولین بار اصطلاح میکروفیبر - میکروالیاف - نانوسلولز توسط توربک - Turbak - ، سنایدر - Synder - و سندبرگ - Sendberg - در اواخر دهه 1970 به کار گرفته شد. این ترکیب ژل مانندی بود که از خمیر چوب در دمای بالا و فشار زیاد ایجاد میشد. اصطلاح MFC - Microfibrillated Cellulose - برای اولین بار در اوایل دهه 1980 ظهور کرد، و تعدادی از اختراعات ثبت شده روی این ترکیب نانوسلولزی جدید به نام ریونیر - Rayonier - معرفی گردید. در کارهای بعد، هریک - Herrick - پودر خشک این ژل را تهیه کرد. توربک و همکارانش کاربردهای جدیدی برای MFC/Nanocellulose یافتند. از این جمله میتوان به استفاده از این ترکیبات به عنوان عوامل تغلیظ کننده و چسبناک کننده در صنایع غذایی، لوازم آرایشی، فرآیندهای تولید کاغذ، منسوجات و الیاف نبافته اشاره کرد.[1] سلولز پلیمری پلیساکاریدی با زنجیره بلند است که از واحدهای -D- گلوکوپیرانوزی تشکیل شده و فراوانترین پلیمر زیستی تجدید شونده بر روی زمین و از ترکیبات اصلی ساختار گیاهان میباشد[2] - شکل . - 1 طول یک مولکول سلولز طبیعی حداقل 5000 نانومتر است و مربوط به زنجیرهای دارای حدود 10000 واحد گلیکوپیرانوزی است .[1]
نانوسلولز و فرمالدهید
-1 نانوسلولز با افزایش نگرانیهای زیست محیطی، سرعت استفاده از منابع نفتی و نیاز به منابع و فرایندهای دوستدار محیط
زیست، پژوهشهای بسیاری را به سوی مواد بدست آمده از منابع تجدیدپذیر سوق داده و محصولات زیستتخریب-پذیر یا قابل بازیافت را گسترش داده است. یکی از این منابع تجدیدپذیر و زیستسازگار، نانوالیاف سلولزی هستند.[3] دستهای از نانومواد معروف به نانومواد زیستی، منشا زیستی دارند یعنی توسط گیاهان و موجودات زنده موجود در طبیعت ساخته میشوند لذا زیستسازگار، زیستتخریب پذیر و تجدیدپذیرند. نانوسلولز مهمترین و فراوانترین نانوپلیمر زیستی است که در طبیعت وجود دارد و سالانه میلیاردها تن از آن طی فرایند فتوسنتز ساخته میشود[4] - شکل . - 2
در واقع نانو الیاف سلولزی یکی از نازکترین و ظریفترین فیبرها در طبیعت است که ساختار دیواره سلول گیاهی و برخی جانوران شبکهای را تشکیل داده، سبب استحکام آن میشوند. این نانوالیاف دارای خصوصیات جالبی همچون تجدیدپذیری، قیمت پایین، سطح ویژه بالا، مقاومت ویژه بالا - در حد کولار - و... است، لذا در سالهای اخیر از آن به عنوان یک پرکننده و تقویت کننده زیست تخریبپذیر برای نانوکامپوزیتها استفاده میشود .[5] دو ساختار کلی برای نانوسلولز وجود دارد که یکی نانوفیبر سلولز - CNF - و دیگری نانوکریستال سلولز - CNC - میباشد. نانوفیبر سلولز و نانوکریستال سلولز مشتق شده از سلولز، فراوانترین پلیمر زیستی، میباشد.[6]
روشهای تولید نانوفیبر سلولز به دو روش بالا به پایین - هیدرولیز اسیدی، همگن سازی، سوپرآسیاب و ... - و پایین به بالا - سنتز باکتری و الکتروریسندگی - تقسیم میشوند. از میان روشهای بالا به پایین روش سوپرآسیابدارای خواص برجستهای همچون سادگی، سرعت و راندمان بالای تولید و تک مرحلهای بودن را دارا است.[2] یک روش معمول تهیهی نانوبلور سلولز، استفاده از هیدرولیز اسیدی میکروفیبریلهای سلولز است.[5] فرآیند هیدرولیز اسیدی واکنشی غیر همگن است که در آن نفوذ اسید به قسمتهای آمورف راحتتر بوده و به همین دلیل سرعت هیدرولیز در قسمتهای آمورف بسیار بالاتر است. شرایط مناسب هیدرولیز شامل دما، غلظت اسید، نسبت - اسید/سلولز - و مدت زمان هیدرولیز با توجه به نوع اسید و مادهای که به عنوان منبع سلولز هیدرولیز میشود، تعیین میشود.
با تعیین شرایط مناسب میتوان هیدرولیز آن را در مرحلهای که هیدرولیز قسمتهای بلوری شروع میشود متوقف کرد. نتیجهی این عمل، هیدرولیز ذرات نانوبلور سلولز - CN - خواهد بود که میتوان در مراحل بعدی عملیات خالصسازی روی آنها انجام داد - [7]شکل . - 3از مزایای نانوبلور سلولز: ساختار تک بلوری، شکل میلهای بلند، ضریب لاغری بالا - طول چند میکرون و ضخامت سه تا 30 نانومتر - ، مقاومت ویژه بالا، چگالی پایینتر - 1/5 گرم بر سانتیمتر مکعب - در مقایسه با انواع پرکنندههای معدنی، فعالیت شیمیایی سطحی بالا - به دلیل گروههای هیدروکسیل سطحی زیاد - ، قیمت پایین ماده اولیه، دارای قابلیت تجدیدشوندگی و زیست تخریبپذیری میباشد و معایب نانوبلور سلولز شامل: نیاز به اصلاح سطحی برای امتزاج با پلیمرهای غیرقطبی، استخراج زمانبر و هزینهبر از منابع با توجه به روشهای موجود میباشد. یکی از مشکلات اصلی استفاده از نانوبلور سلولز آبدوست بودن آن به دلیل وجود گروههای هیدروکسیل سطحی است، که این امر زمانی ایجاد میشود که از یک حلال یا پلیمر آبدوست استفاده شود.[5]
اهمیت این دست از مواد، از دیدگاه علمی به دلیل کاربرد مواد خام تجدیدپذیر و دوستدار محیط زیست که ضمن جایگزینی با برخی از تقویتکنندههای مصنوعی میتواند از بار آلودگی محیط زیست بکاهد و باعث حرکت حیاتی توسعه نانوسلولزها در صنایع غذایی، نانوکامپوزیتها و تجهیزات پزشکی شود .[8] تولید الیاف سلولز در مقیاس میکرو و نانو و کاربرد آنها در مواد مرکب به دلیل قدرت بالا و سفتی همراه با وزن کم، قابلیت تجزیه زیستی و قابلیت تجدید مورد توجه فراوانی قرار گرفته است .[9] در مقایسه با بسیاری از انواع نانو ذرات قابل مقایسه، نانوسلولز آسانتر و از منابع ارزان قیمتی بهدست میآید که فراوانی بالایی دارند. همچنین کامپوزیتهای تمام سلولزی نگرانیهای زیست محیطی نداشته و در طبیعت به راحتی از بین میرود و خواص مکانیکی خوبی را نیز از خود نشان میدهد.[10]
