استفاده از نانو الیاف سلولز باکتریایی (BNCF) برای بهبود خواص کامپوزیت ساخته شده از شلتوک برنج و گچ

بیان مساله و اهداف: در کشورهایی مانند ایران که منابع جنگلی محدود هستند، و استفاده از پسماندهای کشاورزی برای تولید پانل های سازگار با محیط زیست به عنوان راهکاری موثر برای کاهش وابستگی به چوب و جلوگیری از قطع درختان توصیه می شود. از سوی دیگر، با توجه به فراوانی منابع معدنی در ایران، استفاده از آن ها در کامپوزیت های پایه معدنی می تواند به کاهش فشار بر جنگل ها کمک کند. در این راستا، پژوهش حاضر به بررسی تاثیر نانوسلولز باکتریایی به عنوان عامل تقویت کننده بر ویژگی های فیزیکی، مکانیکی و حرارتی تخته های کامپوزیتی ساخته شده از گچ (به عنوان چسب معدنی) و شلتوک برنج (به عنوان پرکننده) می پردازد. هدف این مطالعه، ارزیابی امکان پذیری استفاده از این کامپوزیت به عنوان یک مصالح ساختمانی پایدار و دوستدار محیط زیست است. مواد و روشها: عوامل متغیر در این پژوهش شامل نسبت های وزنی شلتوک برنج و گچ به مقادیر ۹۰:۱۰، ۸۰:۲۰ و ۷۰:۳۰ نسبت به وزن خشک گچ بودند. نانوالیاف سلولز باکتریایی در سطوح ۱ درصد، ۲ درصد و ۳ درصد برای بهبود اتصال بین گچ و شلتوک برنج مورد استفاده قرار گرفت. در مجموع، با در نظر گرفتن ۹ تیمار، تعداد ۲۷ تخته آزمایشگاهی تولید شد. ضخامت تخته های آزمونی ۱۶ میلی متر و دانسیته نهایی تمام تخته ها برابر با g/cm۳ ۱۰/۱ در نظر گرفته شد. سپس خواص مکانیکی و فیزیکی نمونه ها شامل مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE)، چسبندگی داخلی (IB)، واکشیدگی ضخامت پس از غوطه وری ۲ و ۲۴ ساعت در آب، دانسیته تخته ها و مقاومت به آتش (درصد کاهش وزن) اندازه گیری شدند. نتایج: نتایج نشان داد که افزایش میزان شلتوک برنج در ساختار کامپوزیت تاثیر قابل توجهی بر خواص فیزیکی و مکانیکی پانل ها دارد. افزایش نسبت شلتوک برنج منجر به کاهش مقادیر مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE) و مقاومت چسبندگی داخلی (IB) شد که این کاهش را می توان به افزایش تخلخل، توزیع غیریکنواخت ذرات و کاهش چسبندگی بین اجزا نسبت داد. بررسی تصاویر میکروسکوپی (SEM) نشان داد که افزودن نانوسلولز باکتریایی (BNCF) باعث بهبود توزیع ذرات، کاهش نقص های ساختاری و افزایش انسجام بین گچ و شلتوک برنج شده است که منجر به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت گردید. از آنجا که شلتوک برنج حاوی مقادیر بالایی سیلیس (SiO₂) است، انتظار می رود که سیلیس موجود در آن نیز در تقویت پیوندهای ساختاری و افزایش مقاومت مکانیکی کامپوزیت نقش داشته باشد. با این حال، نتایج FTIR نشان داد که افزایش شدت پیک های مربوط به گروه های هیدروکسیل (O-H) و پیوندهای گلوکوزیدی (C-O) در نمونه های حاوی نانوسلولز مشهودتر است. از آنجایی که پیوندهای گلوکوزیدی (C-O) تنها در نانوسلولز مشاهده نمی شوند و در سلولز موجود در شلتوک برنج نیز حضور دارند، این احتمال وجود دارد که بخشی از این پیک ها مربوط به ساختار سلولزی شلتوک باشد. با این حال، مقایسه طیف FTIR بین نمونه های فاقد نانوسلولز و نمونه های حاوی BNCF نشان داد که افزایش شدت این پیک ها در حضور نانوسلولز باکتریایی، بهبود پیوندهای بین اجزا و افزایش چسبندگی ساختاری را تایید می کند. بنابراین، در حالی که سیلیس موجود در شلتوک برنج نیز در تقویت پیوندهای گچی موثر است، افزایش مقاومت مکانیکی کامپوزیت های حاوی نانوسلولز بیشتر به بهینه سازی ساختار، کاهش فضاهای خالی، و بهبود انسجام بین اجزا نسبت داده می شود تا واکنش مستقیم نانوسلولز با گچ. علاوه بر این، هرچند پیوندهای گلوکوزیدی در سلولز شلتوک برنج نیز یافت می شوند، افزایش شدت این پیک ها در نمونه های دارای نانوسلولز نشان دهنده تاثیر نانوسلولز بر بهبود ساختار کامپوزیت است. نتیجه­ گیری: افزودن نانوسلولز باکتریایی با بهبود انسجام ماتریس و کاهش تخلخل، موجب کاهش نفوذپذیری آب و بهبود پایداری ابعادی کامپوزیت ها شد. سیلیس موجود در شلتوک برنج می تواند باعث بهبود ویژگی های مکانیکی و حرارتی تخته ها شود، اما شلتوک به دلیل ساختار گیاهی باعث افزایش تخلخل و جذب بیشتر رطوبت می گردد. نانوسلولز باکتریایی به دلیل انتقال حرارت بسیار کم و طبیعت زیستی، سبب کاهش مقاومت تخته ها در برابر آتش شد. این کامپوزیت ها که دارای استحکام مکانیکی و مقاومت فیزیکی بهبودیافته ای هستند، پتانسیل قابل توجهی برای استفاده در پانل های داخلی ساختمان و دیگر سازه های غیرباربر دارند و جایگزینی پایدار برای مواد سنتی محسوب می شوند.

کلیدواژه ها:

نانو سلولز ، چسبندگی داخلی ، شلتوک برنج ، مدول گسیختگی ، کامپوزیت گچی