بررسی تاثیر مصرف انرژی بر ویژگی های فیزیکی و مکانیکی نانو الیاف سلولزی حاصل از کاه گندم

بیان مساله و اهداف: نانو الیاف سلولزی (CNF) به عنوان یکی از مواد نوین و زیست پایه با ویژگی های برجسته مکانیکی، نوری و محیط­زیستی نقش موثری در توسعه محصولات نوآورانه در صنایع بسته بندی، نانو کامپوزیت ها و کاغذهای عملکردی ایفا می کنند. با این حال، تولید صنعتی CNF با موانعی مانند مصرف بالای انرژی و هزینه بر بودن فرآیندهای آماده سازی از جمله رنگ بری و پالایش همراه می­باشد. از سوی دیگر، استفاده از منابع لیگنوسلولزی غیرچوبی مانند کاه گندم، به عنوان ماده ای ارزان، فراوان و تجدیدپذیر، می تواند راهکاری موثر برای کاهش هزینه های تولید، بهبود کارایی فرآیند و سازگاری محیط زیستی باشد. پژوهش حاضر با هدف بررسی تاثیر مصرف انرژی در دو مرحله ی کلیدی پالایش مکانیکی (ریفاینر) و میکروفلویدایزر (فیبریلاسیون نهایی) بر ویژگی های فیزیکی و مکانیکی CNF حاصل از کاه گندم انجام شده است. همچنین این مطالعه به دنبال یافتن شرایط بهینه مصرف انرژی جهت تولید نانو الیاف با عملکرد بالا و حذف نیاز به مراحل رنگ بری در فرآیندهای صنعتی می­باشد. مواد و روشها: در این پژوهش، فرآیند خمیر سازی به روش سودا با شرایط مشخصی انجام گرفت؛ به طوری که میزان قلیایی ات محلول پخت ۱۶ درصد، مدت زمان پخت ۳۰ دقیقه، دمای پخت ۱۶۰ درجه سانتی گراد و نسبت مایع پخت به کاه گندم ۳:۱ در نظر گرفته شد. خمیر حاصل بدون انجام عملیات رنگ بری، مستقیما وارد مرحله پالایش مکانیکی شد. این فرآیند با استفاده از دستگاه دیسک ریفاینر در چهار سطح انرژی شامل ۱۳۰، ۱۷۰، ۲۵۰ و kWh/t ۵۰۰ انجام گردید تا تاثیر شدت پالایش بر آماده سازی الیاف برای میکروفیبریلاسیون بررسی شود. در گام بعد، نمونه های پالایش شده در شش سطح عبور از دستگاه میکروفلویدایزر (۱ تا ۶ مرحله عبور متوالی) تحت فرآیند فیبریلاسیون نهایی قرار گرفتند تا نانو الیاف سلولزی تولید شود. در نهایت ویژگی های مکانیکی شامل شاخص کشش، ترکیدن و طول پارگی و نیز ویژگی های فیزیکی و نوری شامل ضخامت، زبری سطح، دانسیته و شفافیت نمونه های CNF ارزیابی شد. تمامی آزمون ها بر اساس استانداردهای ISO و TAPPI انجام گردید. نتایج: نتایج نشان داد که افزایش مصرف انرژی تا یک نقطه ی بهینه منجر به بهبود قابل توجه در خواص مکانیکی CNF می شود. تیماری که در آن از انرژی kWh/t ۱۷۰ در پالایش و kWh/t ۲۵۸ در میکروفلویدایزر استفاده شده بود، عملکرد بهینه ای از خود نشان داد. در این شرایط، شاخص کشش به N.m/g ۵/۱۱۳ و طول پارگی به km ۵/۱۱ رسید که نسبت به نمونه شاهد، بهبودی بیش از ۲۲۰ درصد را نشان می دهد. همچنین در این شرایط، نمونه ها دارای ضخامت کمتر، دانسیته بیشتر، زبری کم تر و شفافیت بهتری بودند که بیانگر ساختار یکنواخت تر، توزیع مناسب نانو الیاف و پیوندهای بین الیافی قوی تر می­باشد. در مقابل، افزایش بیش ازحد انرژی مصرفی در میکروفلویدایزر نه تنها به بهبود بیشتر منجر نشد بلکه در برخی موارد باعث افت خواص مکانیکی شد که احتمالا ناشی از تخریب ساختار الیاف در اثر اعمال انرژی بیش ازحد بوده است. نتیجه­ گیری: بررسی نتایج این پژوهش نشان می دهد که تولید CNF با کیفیت بیشتر از خمیر غیررنگبری شده کاه گندم و بدون نیاز به حذف لیگنین، امکان پذیر می­باشد. حذف مرحله رنگ بری نه تنها موجب کاهش مصرف انرژی و هزینه های تولید می شود، بلکه با حفظ ترکیبات ساختاری الیاف، عملکرد مکانیکی CNF را نیز تقویت می کند. همچنین طراحی دقیق میزان انرژی مصرفی در هر مرحله، عاملی کلیدی در بهینه سازی خواص نهایی محصول به شمار می رود. یافته های این مطالعه می تواند به عنوان مبنایی برای توسعه فرآیندهای صنعتی تولید از منابع غیرچوبی با رویکرد پایدار و مقرون به صرفه مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه ها:

نانو الیاف سلولزی (CNF) ، کاه گندم ، مصرف انرژی ، ریفاینر ، میکروفلویدایزر