بخشی از مقاله
چکیده
خشک کنی نانوموادی که با فرآیندهای تر تولید میگردند موضوع مهم تحقیقات دنیا میباشد چرا که این نانومواد نظیر نانوسلولز علاوه بر آب دوست بودن دارای سطح ویژه زیادی میباشند و لذا جدایش مولکولهای آب از آنها را با صرف انرژی زیاد و مشکل دلمهگی مواجه میسازد. در این مقاله مروری راجع به خشک کنی نانوسلولز و روشهای آن با تاکید بر روش جت درایر بحث میگردد. مزایای خشک کنی نانوسلولز عبارتند از ماندگاری زیاد، عدم تخریب بیولوژیکی، حمل راحتتر، هزینه حمل کمتر، انبارداری راحتتر و توسعه کاربردهای آن و از محدودیتهای خشک کنی نانوسلولز میتوان به انرژی بر بودن، ایجاد دلمهگی در هنگام تولید پودر، و زمانبر بودن اشاره کرد.
جهت انتخاب روش مناسب خشک کنی نیز نوع محصول نهایی مورد نیاز ملاک است برای مثال اگر هدف تولید پودر نانوسلولز است روشهای فریز درایر و اسپری درایر مناسب بوده و اگر هدف تولید فیلم نانوسلولز است روشهای جت درایر، آون و آون خلا مناسب این کار میباشند. از روشهای فریز درایر و خشک کنی با دی اکسید کربن فوق بحرانی هم میتوان جهت تولید پودر نانوسلولز و هم جهت تهیه آئروژل نانوسلولز استفاده نمود. همچنین مولفان این مقاله توانستند جت درایری طراحی و بسازند که در زمان 5 دقیقه ای توانست فیلم نانوسلولز را با ویژگیهای مناسب خشک نماید که از نظر تولید اقتصادی و سرعت بالای فیلم نانوسلولز اهمیت زیادی دارد.
مقدمه
سلولز یکی از مهمترین پلیمرهای طبیعی است و به عنوان یک ماده خام پایان ناپذیر و مادهای زیست سازگار در مقیاس صنعتی است. این ماده سالهاست که در قالب چوب و الیاف گیاهی به عنوان یک منبع انرژی - مصالح ساختمانی و پوشاک به کار برده می شود.[1] با کاهش اندازه از ماکرو به نانو، مدول الاستیسیته سلولز از حدود 10 به 70 گیگاپاسکال و حتی بیشتر افزایش مییابد.[2] نانوکریستالسلولز دارای مدول کششی 143 گیگاپاسکال بوده که در حدود 100 برابر بیشتر از مدول کششی یک پلیمر معمولی میباشد.
[3] مواد خام سلولزی میتوانند به شکل ریزساختارهای سلولزی با ابعاد میکرو و نانو تبدیل شوند، اما این فرآیند ساده نیست و بعضی اوقات به فرآیند پیش تیمار نیاز دارد. د ستیابی به ابعاد نانو سلولز م ستلزم جدا سازی نانوالیاف از فیبر اولیه با ا ستفاده از روشهای مختلف است که منجر به تسهیل شکسته شدن پیوندهای گلوکوزیدی الیاف و جداشدن نانوالیاف از دستجات فیبری متصل بههم می شود.
با توجه به تقا ضای زیاد سایر صنایع؛ مثل ساختمان سازی، مبلمان و کاغذ سازی به این ماده اولیه، توجه و علاقه زیادی برای استفاده از دیگر منابع سلولزی مثل ضایعات کشاورزی بهوجود آمده است؛ که استفاده از این مواد، دارای فوایدی همچون حفاظت از محیط زیست به علت ماهیت تجدید پذیر بودن آنها و انرژی پایین مورد نیاز برای ا ستخراج فیبرهای سلولزی از این مواد میبا شد. برای تولید نانو سلولز از منابع مختلفی شامل کنف، کتان، باگاس، گندم، سلولز باکتریایی و غیره ا ستفاده شده ا ست.
[4] جدا سازی مواد سلولزی از ضایعات ک شاورزی نسبت به جداسازی آنها از چوب راحتتر است و نیاز به انرژی کمتری دارد.[5] شایان ذکر است که نانوسلولز تهیه شده به روش مکانیکی دارای مدول الاستیسیته بسیار کمتر - 50-100 گیگاپاسکال - از نانوسلولز تهیه شده به روش باکتریایی میباشد. سلولز در شکل نانوکریستال، مقاومت به کشش و مدول یانگ بالایی دارد و یک ماده تقویتکننده خوب برای مواد کامپوزیتی مختلف، مح سوب می شود.[6] توانایی تقویتکنندگی نانوکری ستالهای سلولز به خاطر مساحت سطح ویژه و خواص مکانیکی خوب آنها است.
مهمترین دلیل استفاده از محصولات میکروبی سازگاری آنها با سیستم های زیستی می باشد.[7] یکی از این محصولات میکروبی نانو سلولز باکتریایی است که توسط برخی باکتری ها مانند - G.xylinus - Gluconacetobacter در محل کشت در یک دوره زمانی حدود دو هفته شکل می گیرد و متوسط قطر فیبر ها تقریبا بین 30 تا 60 نانومتر می با شد.[8] این چنین اندازه ای تاثیر مهمی در افزایش سطح ویژه شبکه نانو سلولز باکتری دارد نتیجه آن ایجاد برهمکنش قوی است. بنابرین نانو سلولز باکتری در طول بیوسنتز در محل کشت، مقدار زیادی از آب - بیش از 99 درصد - را در خود محصور می کند.
[9] علاوه بر سوپرجاذب بودن، از خواص عمده فیلم نانوسلولز باکتری می توان به موارد زیر ا شاره کرد: زی ست پایه بودن، زی ست تخریب پذیری، ایمن، خوراکی، مقاومت های مکانیکی بالا و غیره. بر مبنای این خواص منحصر بفرد کاربردهای متعددی را می توان برای این فیلم متصور بود که عبارتند از: استفاده در تولید نانو کامپوزیت، فوم و فیلتر زیستی - کاغذ سازی - پزشکی - مهندسی پزشکی - صنایع آرایشی - صنایع غذایی - صنایع بسته بندی و نساجی - کشاورزی - صنایع الکترونیک و مغناطیس - هوا فضا - خودرو، و ساختمان. خ شک کردن و خارج ساختن سیال از ساختمان پلیمرها و ترکیبات زی ستی از چالش های پیش رو در صنایعی همچون صنایع دارویی، مواد غذایی، پزشکی، پتروشیمی و بویژه فناوری نانو به شمار میآید.
خشک کنی نانو مواد: روشهای مختلف خشککردن، اثرات متفاوتی بر روی خواص نانومواد شامل اندازه و شکل ذرات، تخلخل و دانسیته، مساحت سطح و ... دارند.[10] از روشهای صنعتی و متداول خشککردن مواد حساس به دما خ شککنی پا ش شی و نیز خ شککن انجمادی ا ست. در این مطالعه به مقوله مهم خ شک کنی نانو سلولز و نیز روش های خشککنی میپردازیم.
اهمیت و ضرورت خشک کنی نانو سلولز
پینگ و همکاران ،تاثیر روشهای مختلف خشک کردن بر روی خواص ریختشناسی نانوفیبر سلولز و نانوکریستال سلولز را مورد ارزیابی قرار دادند. روشهای مختلف خشک کردن و نوع ماده اولیه بر خواص پودرهای حاصل اثر گذار بودند. نتایج نشان داد که خشک کردن در هوای آزاد و خشک کردن در آون برای تولید فیبر سلولز در مقیاس نانو مناسب نیستند. خشک کردن به روش نقطه بحرانی باعث حفظ ساختار نانو فیبر سلولز میشود.
خشک کردن انجمادی نانوفیبر سلولز باعث بوجود آمدن ساختار نوار مانند شده در حالی که خشک کردن پاششی قابلیت بالقوه تولید فیبرهای سلولز در مقیاس نانو را دارد. برای حفظ ساختار نانوسلولز، بهترین روش خشک کردن نقطه بحرانی میباشد. اما از نقطه نظر تولید نانوفیبر سلولز برای ساخت نانوکامپوزیت، خشک کردن پاششی یک روش بهینه معرفی شد. نانوسوسپانسیونها در مقایسه با حالت جامد در معرض ناپایداری فیزیکی - رشد کریستال و کلوخه شدن - و ناپایداری شیمیایی - تجزیه مواد - قرار دارند.
[11] به منظور تبدیل نانوسوسپانسیونهای بلورین به حالت ماده جامد آنها میبایست در معرض خشک شدن قرار گیرند. سوسپانسیون 2 درصد نانوسلولز در آب، تشکیل یک ژل با پایداری مکانیکی بالا میدهد. پایداری سوسپانسیون نانوسلولز به اندازه ذرات پخششده، توزیع اندازه مولکولی ، میزان شبکهای بودن و بار سطحی ذرات بستگی دارد.[12] حمل و نقل، ذخیره و نگهداری و حفظ کیفیت سوسپانسیون نانوسلولز از دغدغههای بزرگ به شمار میآید. لذا با خشککردن نانوسوسپانسیون سلولز ضمن طولانیتر شدن مدت نگهداری بدون ایجاد تغییر چندانی در ریختشناسی و کیفیت آنها، دامنه کاربرد آنها نیز وسیعتر میشود.
شایان ذکر ا ست که سلولز به عنوان پایاترین عن صر چوب در برابر حرارت، دارای دمای انتقال شی شهای بین 200 تا 230 درجه سانتیگراد بوده و دمای تجزیهی آن از 260 درجه سانتیگراد شروع میشود.[13] این نانوساختار در روشهای معمول خشککنی نظیر حرارتدهی مستقیم به سرعت تشکیل کلوخه داده و با تجمع به ابعاد میکرومتری و میلیمتری میر سد. بنابراین خواص و ظرفیتهای بالقوهای را که در مقیاس نانومتری دارد، کاملاً از د ست خواهد داد. دلیل این م سئله بالا بودن سطح ویژه و پیوند نانو سلولز ن سبت به الیاف سلولزی معمولی و نیز به وجود آمدن نیروهای موئینگی قوی حین خ شککنی ا ست.
سطح ویژه الیافمعمول سلولزی حدوداً تا 5 مترمربع در گرم ا ست در حالیکه سطح ویژه نانوسلولز بیشتر از 100 و گاهی به 500 مترمربع در گرم میرسد. داشتن چنین سطح بسیار بالایی سبب افزایش تراکم پیوند هیدروژنی شده، بهطوری که کلوخههایی که در روش حرارتدهی مستقیم نانوسلولز تشکیل میشوند حتی با خیساندن مجدد در آب هم به ابعاد نانومتری برنمیگردند همچنین سلولز باکتریایی به دلیل ویژگیهای بی نظیری مانند خواص مکانیکی جالب توجه در هر دو حالت خشک و تر، تخلخل، جذب آب، شکل پذیری، زی ست تخریب پذیری و زی ست سازگاری بالا توجه زیادی را به خود جلب کرده ا ست. خ شک کردن عمدتا به منظور افزایش ثبات محصول نهایی و کاهش واکنش پذیری شیمیایی می باشد.
[14] بنابرین خشک کردن بسیار مهم است و بر عملکرد و استفاده از نانو سلولز باکتری تاثیر گذار است.[15] نانو سلولز خشک دارای پایداری مناسب است و در نتیجه نسبت به حالت تر ترجیح دارد.[16] با عنایت به اینکه در برخی از کاربردها به فیلم خشک نانوسلولز باکتری نیاز است خشک کنی این فیلم حائز اهمیت است. به طور کلی خشککنی فیلم نانوسلولز باکتری باعث مزایای زیر می شود: سبکتر شدن - تا 99 بار - ، کاهش هزینه حمل و نگهداری، کاهش خطرات حمله میکروارگانیک ها و کپک، نگهداری آسان تر، افزایش دامنه کاربردی، افزایش خواص فیزیکی و مکانیکی. لیکن از آنجایی که فیلم نانوسلولز باکتری سوپرجاذب است و آب زیادی دارد و از آنجا که روش خشک کردن فیلم نانو سلولز بر روی ساختار، عملکرد و کاربرد تاثیر گذار است لذا در این مطالعه به بررسی روش های خشک کنی فیلم نانو سلولز باکتری می پردازیم.
