بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل افزایش رشد جمعیت وکاهش شدید منابع سلولزی تقاضا برای مواد اولیه افزایش یافته است و همچنین تولید ضایعات افزایش پیدا کرده است. لذا به منظور حفاظت از محیط زیست و منابع سلولزی میتوان از ضایعات پارچه پنبهای که دارای مقدار بسیار زیادی سلولز است و معمولا دور ریخته میشود برای تولید میکروکریستالسلولز استفاده نمود که دارای کاربردهای گستردهای در زمینههای مختلف از قبیل صنایع دارویی، غذایی، آرایشی و بهداشتی، پلاستیکسازی و دیگر صنایع میباشد. میکروکریستالسلولز معمولا به روش هیدرولیز اسیدی تهیه میشود و ویژگیهای ان به مقدار زیادی به شرایط واکنش و ماده اولیه بستگی دارد.
مقدمه
با توجه به رشد سریع جمعیت جهان و تغییر رفتار مصرف کننده به سوی مد، تولید نساجی و مصرف به میزان قابل توجهی افزایش یافته است و منجر به مقدار بیشتری از ضایعات نساجی شده است. ضایعات نساجی میتوان به دو دسته تقسیم کرد: قبل از مصرفکننده - یا پس از صنعت - و ضایعات پس از مصرفکننده. ضایعات پس از مصرفکنندگان شامل پوشاک نساجی کهنه و فرسوده است.[3] دفع زباله یکی از جدی ترین مسائل زیست محیطی است که جامعه با ان روبرو میشود. سوزاندن زباله و دفع زباله در مکانهای دفن تاثیر منفی بر محیط زیست دارند.
حتی اگر زبالههای نساجی به عنوان سوخت کارآمد مورد استفاده قرار داده شود؛ در تبدیل زباله به انرژی، سوزاندن میتواند باعث انتشار CO2 - گاز گلخانهای - شود. بنابراین، اگر جایگزین بهتر نباشد دفع زباله ممکن است مناسب باشد. دفن زباله نیز بر انتشار گازهای گلخانه ای از مواد خطرناک به خاک و زمین و آب تاثیر میگذارد. بهترین راه حل برای جلوگیری از دفع مواد زائد بازیافت ضایعات نساجی است. بازیافت ضایعات نساجی هم مقرون به صرفه و هم دارای مزایای زیست محیطی است. ضایعات باید به عنوان یک منبع مواد خام که موجب صرفه جویی در منابع طبیعی میشود تیمار شود. احیای منسوجات به طور قابل توجهی به کاهش آلودگی هوا، آب و زمین ناشی از دفع زباله و در مورد پنبه، توسط گیاه کمک میکند.
ضایعات پارچه پنبهای
مواد زائد یکی از بزرگترین مشکلات مواجه انسان در صنعت است. فرآیند بازیافت ضایعات پارچه پنبهای به محصولات با ارزش افزوده بالا هنوز محدود است. پارچههای پنبهای از الیاف پنبه ساخته شدهاند که منبع بالای سلولز هستند و حدود 95 تا 99 درصد سلولز دارند. بنابراین یکی از راههای بالقوه برای استفاده با ارزش این است که انها به میکروکریستالینسلولز - MCC - 1 استخراج شوند .[7]
سلولز افزایش تقاضا برای منابع تجدیدپذیر، توجه به سلولز را افزایش داده و مطالعات زیادی برای توسعه کاربردهای ان انجام شده و در حال انجام است.[8] سلولز تجدیدپذیر، زیست تخریبپذیر و فراوانترین بیوپلیمر در جهان است و به حدود %50-40 در چوب، %80 کتان و %90 در پنبه وجود دارد. در ریزلیفچههای سلولز نواحی بسیار منظم - بلوری - و نواحی نسبتا نامنظم - آمورف - به طور متناوب در مجاورت یکدیگر قرار میگیرند .[9]
بخش بیشکل سلولز از نظر شیمیایی ضعیف بوده و به راحتی با اسیدهای معدنی آبکافت شده و در نتیجه بخشهای بلوری ان از یکدیگر جدا میشوند. ترکیبات نانوسلولز مانند نانوفیبریل، نانوبلور، میکروفیبریل ایجاد میشوند. این ترکیبات مواد ارزشمندی هستند که کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف دارند و به روشهای متفاوت شیمیایی، مکانیکی و یا تلفیقی از آنها تهیه میشود.[10]
میکروکریستالسلولز
MCC خالص، سلولز تجزیه شده به طور جزئی توسط هیدرولیز اسید و آلفا سلولز سنتز میشود. این در سال 1955 توسط O. A. Battista و P. A. Smith کشف شد و برای اولین بار تحت نام تجاری Avicel تجاری شد. در سال 1962، طرح تهیه آن توسط شرکت American Viscose Company گزارش شد، از این رو نام محصول "Avicel" قرار داده شد. در سال 1964 شرکت FMC، Avicel PH را به صنعت داروسازی به عنوان عنصری برای تسریع فشرده سازی مستقیم قرص معرفی کرد که در ان نامگذاری "PH" نشان میدهد که محصول مناسب برای استفاده در داروسازی است.
MCC برای اولین بار در سال 1966 در دستور نامه ملی، نسخه دوازدهم ثبت شد .[11] میکروکریستالسلولز، پلیمری است که از سلولز حاصل میشود. این ماده کریستالی، سفید رنگ، بیبو، بیمزه و ایمن برای انسان و از نظر فیزیولوژیکی بیاثر است و دارای کاربردهای فراوانی میباشد.[12] از لحاظ شیمیایی غیرفعال و هیدروسکوپیک است. اندازه یک ذره معمولا 20 تا 80 میکرومتر، با درجه پلیمریزاسیون حدود 350 میباشد .[13]
ترکیب شمیایی و فیزیکی ساختار میکروکریستالسلولز، به طور قابل توجهی به ویژگیهای ماده اولیه و شرایط تولید آن بستگی دارد. بنابراین میکروکریستالسلولز با خصوصیات فیزیکوشیمیایی متفاوت در بازار موجود میباشد. درجات مختلف میکروکریستالسلولز از لحاظ اندازه، مرفولوژی، تخلخل و تراکم و ... با یکدیگر متفاوت میباشند که این تفاوتها خواص عملکردی ان را تحت تاثیر قرار داده و باعث ایجاد کاربرد متنوع آن میشوند.[14]
پیشماده خام میکروکریستالسلولز
MCC را میتوان به طور تجاری از چوب به دست آورد و همچنین میتوان از مواد غیر چوبی لیگنوسلولزی مانند لینتر پنبه، ساقه پنبه ، پارچههای پنبهای، پوسته سویا، چوب ذرت، پوسته نارگیل ، پوسته برنج ، تفاله نیشکر ، کنف هندی ، رامی ، الیاف و کاه کتان ، کاه گندم ، ساقه سورگوم، الیاف سیزال و پوسته نارگیل میتوان تهیه نمود. دانههایی که از غلاف بالغ شده از درختچههای کوهی - Calotropis procera - و درختان کاپک - Ceiba pentandra - استخراج میشوند، منابع سلولزی اضافی هستند. به جز الیاف پنبهای به علت خلوص بالای آلفا سلولز، اکثر الیاف تهیه شده باید برای حذف ناخالصی مانند لیگنین، پکتین و موم تیمار شوند .[14]
سنتز میکروکریستالسلولز
میکروکریستالینسلولز را میتوان با فرآیندهای مختلف مانند فرآیند اکستروژن واکنشی، فرایندهای آنزیمی، فرایند انفجار بخار و فرآیند هیدرولیز اسیدی [11] و همچنین با تابش اشعه گاما سنتز کرد .[7] مهمترین روشی که تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است، هیدرولیز اسیدی است. در هیدرولیز اسیدی، پلیمرهای سلولز در حضور آب و اسید تجزیه میشوند.
پلیمرهای سلولز به زنجیرههای کوچک یا میکروکریستالها کاهش مییابند .[15] هیدرولیز تا زمانی که قسمتهای آمورف هیدرولیز میشوند با سرعت زیادی ادامه پیدا میکند با کمتر شدن تدریجی قسمتهای آمورف سرعت هیدرولیز نیز به مقدار زیادی کاهش مییابد زیرا توانایی اسید در نفوذ به قسمتهای کریستالی کمتر است. پس شرایط واکنش باید به نحوی طراحی شود که در مرحله پیش از هیدرولیز قسمتهای کریستالی متوقف شود. بنابراین انتخاب شرایط مناسب برای انجام واکنش از اهمیت زیادی برخوردار است .[1]
کاربردهای میکروکریستالسلولز
از فرم ژل میکروکریستالینسلولز به عنوان تنظیم کننده گرانروی، عامل سوسپانسیون و یک ماده امولسیون کننده در چسبها و کرمها و ... استفاده میشود. از سوی دیگر میکروکریستالینسلولز دارای پایه الیاف خوراکی است و به عنوان عامل غنی کننده لیفی میتواند در تداوم سلامت و پیشگیری از بیماریها در تولید غذا مورد استفاده قرار گیرد. میکروکریستالینسلولز ضمن داشتن قابلیت جذب سطحی محلولهای دارویی، پرسپذیری مناسبی نیز دارد و یکی از مهمترین اکسی پیانها و پرکنندهها در تهیه سامانههای مایع به جامد است.
ویژگیهای مربوط به شکل و سطح میکروکریستالینسلولز ، بهترین قابلیت برای جاری شدن را فراهم میاورد و به همین دلیل گزینه کامل و بینقصی برای مصرف به عنوان ضدکلوخه کننده است. عمدهترین موارد مصرف ان عبارتند از انواع پنیر، ادویه، سوپهای آماده، سسها و همان طور که اشاره شد به دلیل قابلیت پرس شدن در فراوردههای دارویی مانند قرصها و مواد دیگر مانند سوسپانسیونها کاربرد دارد. از میکروکریستالینسلولز برای تقویت ماده زمینه پلیمری برای تهیه چندسازه استفاده نمودند .[2]
مطالعات انجام شده
طبق پژوهشی میکروکریستالسلولز را از ضایعات پارچههای پنبهای با استفاده از اشعه گاما تهیه کردند. در این پژوهش MCC توسط تابش گاما با دوز تابش مختلف در فازهای خشک و مرطوب آماده شد. خواص MCC آماده شده قابل بررسی و مقایسه با استاندارد آویسل، PH101 MCC بود. نتایج حاصل از طیفFTIR1 و انالیز پراش اشعهX2 نشان میدهد که MCC به دست آمده، نوعی شباهت به MCC تجاری دارد.
تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس نشان داد که درصد بلورینگی افزایش یافت در حالیکه اندازه بلور از طریق تابش گاما کاهش یافت. درجه پلیمریزاسیون و انحلالپذیری در آب با افزایش دوز تابش کل کاهش مییابد. بررسی خواص فیزیکوشیمیایی MCC به دست آمده مطابق با استاندارد فارماکوپه اروپا است .[7] در تحقیقی دیگر ضایعات پارچه پنبهای را به وسیله هیدروکلریک اسید N 2,5 در 100 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه تحت هیدرولیز قرار دادند. در نتیجه میکروکریستالسلولزی از شبکه بلوری سلولزI ایجاد شد که اندازه متوسط ذرات حدود 40 میکرومتر و تخریب حرارتی دمای 350 درجه سانتیگراد داشت .[16]
پژوهش انجام شده بر روی پنبه کهنه ضایعات پوشاک و صنایع جوراب بافی با استفاده از اسیدکلریدریک منجر به تهیه میکروکریستالسلولز شد که دارای خواص مشابه MCC تجاری بود و کریستالیته مشابهی را نشان داد. در این تحقیق اندازه میزان کریستالیته میکروکریستالسلولز تجاری %83 و کریستالیته میکروکریستالسلولز تهیه شده %81 گزارش شد. منحنی 3TGA میکروکریستال تهیه شده از پارچه پنبهای و تجاری بسیار شبیه بوده و پایداری حرارتی خوبی از ان گزارش شد .[17]
نتیجه گیری
از سویی کشور ایران دچار کمبود منابع سلولزی برای تولید مشتقات و فراوردههای سلولزی است و از سوی دیگر میزان زیادی از ضایعات پارچههای پنبهای که از منشا سلولز هستند در مراحل مختلف سوزانده و یا دفع میشوند که علاوه بر آلوده کردن محیط زیست موجب هدر رفت منبع عظیمی از سلولز میشود. ضایعات پارچههای پنبهای از انجا که منشاء سلولزی دارند میتوانند به عنوان یک منبع ارزان و فراوان برای تولید میکروکریستالسلولز مدنظر قرار گیرند.
