فصل اول: مقدمه و کلیات

1- مقدمه و کلیات

1-1- سلولز

معمولاً سلولز در دیواره سلولی گیاهان عالی وجود دارد و نیز می تواند در قارچها، جلبکها و باکتریها هم تشکیل شود. این ماده به طور متوسط هر ساله تقریباً 1010 x5/7 تن در طبیعت تولید می شود و به همین دلیل به عنوان فراوانترین پلیمر تجدیدپذیر و طبیعی موجود در زمین شناخته شده است [سیرو و همکاران،2010]. سلولز در گیاهان چوبی و غیرچوبی در ماتریسی از پلیمر های زیستی مانند لیگنین، همی سلولزها و مواد استخراجی قرار دارد و درصد این پلیمرها بسته به چوبی و غیرچوبی بودن گونه و جایگاه آن متفاوت است. برای نمونه متوسط پراکنش این مواد در چوبهای سوزنی برگ، پهن برگ و گیاهان غیرچوبی در جدول 1-1 نشان داده شده است.

مواد سلولزی دارای کاربردهای بسیار زیاد و متفاوتی بوده و می­توانند برای تولید محصولات مختلف از جمله تولید پانلها، کاغذ و مقوا، الیاف، فیلم­ها، غشاهای نیمه تراوا، مواد منفجره و….. به کار روند. سلولز از نظر شیمیایی یک پلیمر خطی بوده و حاوی واحدهای مونومر β – D گلوكوپیرانوز است كه به وسیله پیوندهای 4®1 گلوكوزیدیك به هم متصل شده اند [فنجل و وگنر، b1989]. درجه بسپارش سلولز بسته به منبع و روشهای آماده سازی آن متفاوت می باشد. این مقدار در سلولز طبیعی حاصل از پنبه به بیشترین مقدار ممکن (15000) می رسد. همچنین برای مقایسه درجه بسپارش سلولز در خمیرکرافت بین 500 تا 2000 متغیر است [فنجل و وگنر، b1989].

فیبریلهای اولیه به عنوان کوچکترین ساختار سلولزی در گیاهان عالی، شامل 36 ملکول موازی و جهت یافته سلولز بوده که به وسیله پیوندهای هیدروژنی در نواحی بی شکل و کریستالی قرار گرفته اند و در نتیجه ابعاد عرضی تقریبی آنها بین 2-4 نانومتر می باشد. اگر فیبریلهای اولیه با سایر مواد چوبی نظیر همی سلولزها، لیگنین، پکتین و پروتئین ترکیب شود آنگاه میکروفیبریل تشکیل می شود. ابعاد عرضی میکروفیبریل بسته به منبع سلولز و روشهای آماده سازی (پیش تیمار) و تولید متفاوت بوده و بین 3-20 نانومتر می باشد [سیرو و پلاکت، 2010]. میکروفیبریل در مرحله بعدی دستجات فیبریل را تشکیل داده و گاهی اوقات از آن به عنوان ماکروفیبریل یاد شده و در واقع ترکیبات اولیه دیواره الیاف چوبی هستند.

2-1- باگاس (تفاله نیشکر)

ماده لیگنوسلولزی حاصل از استخراج شکر در کارخانجات استحصال این ماده از نیشکر، تفاله نیشکر یا باگاس نامیده می شود. معمولاٌ این ماده در کشورهای فاقد منابع چوبی به عنوان ماده اولیه مناسب برای تولید کاغذ و مقوا [جعفری پطرودی و همکاران، 2011] و نیز انواع صفحات فشرده چوبی مانند تخته خرده چوب و تخته فیبر مورد استفاده قرار می گیرد. اخیراً نیز با گسترش فرآیندهای پالایش زیستی[1] از این ماده برای تولید بیواتانل استفاده می کنند. ترکیبات شیمیایی نظیر سلولز،     همی سلولزها و لیگنین این ماده در حد پهن برگان بوده اما میزان مواد استخراجی این ماده در حدود 2 برابر پهن برگان می­باشد [جعفری پطرودی و همکاران، 2011]. در کشور ما مقادیر بسیار زیادی از این ضایعات در حدود سالانه 3/4 میلیون تن تولید می شود که می تواند ماده اولیه بسیار مناسب برای تولید نانوالیاف سلولز باشد [نجفی، 2009]. به طور متوسط از هر 10 تن نیشکر می توان حدود 3 تن باگاس مرطوب که متوسط رطوبت آن بین 40-55 درصد است تولید کرد.

از نظر مرفولوژیکی، باگاس دارای دو بخش مغز[1] و ساقه است. مغز باگاس از سلولهای پارانشیمی تشکیل می شود و لذا برای استفاده در تولید خمیرکاغذ مناسب نبوده و جداسازی (مغززدایی)  می شود. ساقه باگاس عمدتاً حاوی الیاف سلولزی با طول حدود 1700-1300 میکرومتر است که اندکی بیشتر از متوسط طول الیاف پهن برگان است که این مقادیر به منطقه جغرافیایی و نوع گونه نیشکر بستگی دارد. در شکل1-1 تصویری از باگاس نشان داده شده است.

3-1- نانو مواد

امروزه فرآوری و تولید محصولات بر پایه نانومواد از جمله زمینه های تحقیقات كاربردی در حال گسترش در تمامی علوم می باشد و تاكید بر آن در حدی است كه بازار محصولات بر پایه نانو در سال 2011 به حدود 20 میلیارد دلار رسیده است [جعفری پطرودی و همکاران، 1389].

4-1- نانو الیاف سلولزی

سلولز از نظر ذاتی دارای طبیعت و ویژگی های نانومواد می باشد. بدین معنی که در دیواره سلولی الیاف، مواد لیگنوسلولزی به صورت اجتماعی از فیبریلها در اندازه نانو وجود دارد و ساختارهای ریز موجود در الیاف سلولزی همگی در ابعاد نانو بوده و انتظاراتی كه از دیگر مواد نانویی متصور است، در رد این ماده نیز حتی به صورت طبیعی صادق است. مقاومت ذاتی زنجیرهای سلولز بسیار زیاد و حدود GPa3-2 می باشد [ویکیپدیا، 2009]. هنگامی که الیاف مواد لیگنوسلولزی با استفاده از تیمارهای مکانیکی به وسیله همگن سازها یا آسیابهای با قدرت برشی بسیار زیاد در حد فیبریل جدا می گردند دارای ضخامت کمتر از 100 نانومتر شده و به سلولز میکروفیبریله شده[1] یا سلولز میکروفیبریلار تبدیل می شوند که امروزه هر دوی این واژه ها در اکثر مقالات یا کتابها دیده می شود [چینگا-کاراسکو، 2011]. هر چند امروزه واژه های دیگری نظیر نانوالیاف سلولزی و سلولز نانوفیبریله شده[2] نیز برای این نوع الیاف سلولزی استفاده می شود که باید دقت داشت این واژه ها را در صورتی استفاده کرد که ضخامت الیاف سلولزی به صورت همگن و در حد میکروفیبریل و دارای ضخامت کمتر از 100 نانومتر باشد [چینگا-کاراسکو، 2011]. البته غیر از روشهای مکانیکی که به آن اشاره شده است با استفاده از تیمار شدید یا هیدولیز اسیدی به همراه تیمار مکانیکی نوعی از الیاف سلولزی در ابعاد نانو تولید می شود که به نام نانوویسکر سلولز[3] یا نانوکریستال سلولز[4] معروف است [سیرو و پلاکت، 2010]. از نظر مقایسه ای سلولز میکروفیبریله شده نسبت به نانوکریستال سلولز دارای نسبت طول به قطر بیشتری بوده و امروزه به عنوان تقویت کننده در انواع چند سازه ها، اندود کننده ها و فیلم ها به دلیل تجدیدپذیری، فراوانی، نسبت طول به قطر بسیار زیاد[5] و ویژگی های مکانیکی منحصر به فرد از محبوبیت و جایگاه خاصی برخوردار گردیده است [ایچهورن و

 همکاران، 2010]. مواد سلولزی دارای ویژگی­های مقاومتی منحصر به فردی هستند به عنوان مثال سلوفان[6] و سلولز دوباره تجدید شده[7] به ترتیب دارای مقاومت کششیMPa 50 و MPa243 هستند. دلیل اصلی مقاومت بسیار زیاد الیاف سلولزی نسبت به الیاف مصنوعی نظیر نایلون و پلی اتیلن با دانسیته بسیار زیاد به اجزای سازنده آنها که همان نانو الیاف سلولز می باشد و دارای مدول الاستیسیته GPa145 می باشند برمی­گردد [اسپنس و همکاران، c2010؛ سیورود و استنیس، 2009]. مقاومت سلولز میکروفیبریله شده یا نانوفیبریله شده از مقاومت خمیر اولیه این مواد بسیار بیشتر می باشد که دلیل اصلی این موضوع، توزیع تنشهای نانو سلولز (سلولز میکروفیبریله شده یا نانوفیبریله شده) و نگهداری بیشتر آن در نتیجه سطح ویژه بسیار زیاد این مواد می باشد [تانیگوچی و اوکامورا، 2008].

5-1- روشهای تولید نانو الیاف سلولزی

مواد اولیه مناسب برای تولید سلولز میکروفیبریله شده را می توان خمیرکاغذ چوب وگیاهان غیرچوبی، باکتری و پنبه نام برد. عموماً سلولز میکروفیبریله شده را می توان با روشهای مکانیکی متداول نظیر همگن سازی[1][تورباک و همکاران، 1983؛ سیورود و همکاران، 2009]، ریز سیال سازی[2][هنریکسون و همکاران، 2007 و 2008 ]، آسیابهای با قدرت بسیار زیاد[3][ ایواموتو و همکاران، 2007؛ نوگی و همکاران ، 2009؛ حسن و همکاران، 2012] وخرد کردن انجمادی[4][چاکرابورتی و همکاران، 2005] تولید کرد.

امروزه از برخی روشهای پیش تیمار شیمیایی و آنزیمی نیز به منظور سهولت جداسازی نانوالیاف در روشهای فوق استفاده می شود [زیمرمن و همکاران، 2010] که در بخش های بعدی به طور کامل در مورد آنها بحث خواهد شد.

1-5-1- همگن ساز

در همگن ساز الیاف خمیر هنگام عبور از دستگاه، تحت تاثیر افت ناگهانی فشار قرار می گیرند و همزمان فشار و نیروهای برشی بسیار زیادی نیز به الیاف اعمال می شود. عموماً افت ناگهانی فشار درهمگن ساز از نوعManton-Gaulin 15MR حدود MPa55 بوده و الیاف به طور متوسط 10 تا 20 بار از این دستگاه عبور داده می شود و این مقدار بستگی به نوع الیاف سلولزی و روشهای پیش تیمار اعمال شده دارد [تورباک و همکاران، 1983؛ اندرسن و همکاران، 2006؛ اریکسن و همکاران، 2008؛ استنستاد و همکاران، 2008؛ سیورود و استنیس، 2009]. علاوه بر مصرف بسیار زیاد انرژی، کلوخه شدن الیاف در شیر ورودی این دستگاه نیز از مهمترین موانع استفاده از این دستگاه در تولید سلولز میکروفیبریله شده می باشد [زیمرمن و همکاران، 2010]. از طرف دیگر، سهولت استفاده و تولید، قابلیت تجاری کردن و تولید پیوسته از مهمترین مزایای این دستگاه می باشند [ سیورود و استنیس، 2009]. شکل1-2 همگن ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز در این تحقیق را نشان می دهد.

2-5-1- ریز سیال ساز

از آنجا که این دستگاه دارای بخشهای ورودی متحرک نیست لذا تولید نانوالیاف سلولز با این دستگاه، احتمال کلوخه شدن الیاف را نسبت به دستگاه همگن ساز

این مطلب را هم بخوانید :

 کاهش می دهد. خمیرکاغذ از پمپ تشدید کننده ای که فشار خروجی را بهMPa276 افزایش داده و به همراه مخزنی که عملیات تبدیل الیاف سلولزی به نانو الیاف سلولزی را از طریق فشار و نیروی برشی انجام می دهد عبور می کند. میزان کلوخه شدن در این دستگاه به دلیل ایجاد فشار مخالف کمتر از همگن ساز است [هنریکسن و همکاران، 2008]. شکل1-3 تصویر دستگاه ریز سیال ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز را نشان می دهد.

3-5-1- آسیاب های پرقدرت

این دستگاه شامل دو صفحه ثابت[1] و چرخان[2] می باشد که خمیر کاغذ با فشار زیاد از شکاف بین این دو صفحه برای تولید نانوالیاف سلولز عبور داده می شود. این صفحات دارای برجستگی ها و فرورفتگی های بسیار زیادی بوده که تماس الیاف با این صفحات منجر به تبدیل شدن آنها به ریزساختار تشکیل دهنده آنها خواهد شد و در ادامه نانو الیاف سلولز با افزایش تعداد عبور آنها از بین این صفحات تولید خواهد شد [نوگی و همکاران، 2009]. عموماً  کاربید سیلیسیم با درجه 46 برای تولید این صفحات مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین کاربید سیلیسیم با درجات مختلف، پیکر بندی و الگوهای متفاوت دیگر نیز می