مقایسه ویژگی های نیتروسلولز بدست آمده از سلولز و نانو سلولز

سابقه و هدف: نیترو سلولز، یکی از مشتقات مهم سلولز، به دلیل ویژگی هایی مانند واکنش پذیری بالا، قابلیت انحلال در حلال های آلی، توانایی تشکیل فیلم و اشتعال پذیری کنترل شده، در صنایع مختلف مانند تولید مواد منفجره، پوشش های پلیمری، فیلم های عکاسی، داروسازی و زیست پزشکی کاربرد گسترده ای دارد. خواص نهایی نیترو سلولز تا حد زیادی به ماهیت ماده اولیه سلولزی و شرایط فرایند نیتراسیون وابسته است. در دهه های گذشته، آلفاسلولز با خلوص بالا، به عنوان ماده اولیه استاندارد برای سنتز نیترو سلولز شناخته شده است، اما ظهور نانو الیاف سلولز به ویژه نانوالیاف سلولز (CNF) با ساختار نانومتری، سطح ویژه بالا و واکنش پذیری بیشتر، افق جدیدی را در توسعه نیتروسلولزهای اصلاح شده گشوده است. با توجه به تفاوت های ساختاری اساسی بین آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز، بررسی اثر نوع ماده اولیه بر ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و حرارتی نیترو سلولز از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف این پژوهش، مقایسه سیستماتیک نیتروسلولزهای تولیدشده از آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز و تحلیل دقیق عملکرد آن ها در شرایط مختلف نیتراسیون است.مواد و روش ها: آلفاسلولز از کاه گندم، پس از انجام پیش تصفیه اسیدی، خمیر سازی فرایند پخت سودا-آنتراکینون،  رنگبری با دی اکسید کلر و نهایتا استفاده از هیدروکسید سدیم ۵/۱۷%  جهت حذف همی سلولوزهای باقیمانده به دست آمد. نانوالیاف سلولز با قطر ۵۰–۱۰ نانومتر به صورت تجاری تهیه شد. فرایند نیتراسیون با استفاده از مخلوط اسید نیتریک و اسیدسولفوریک با نسبت حجمی ۳:۱ و در دمای ۳۰ درجه سانتی گراد به مدت ۴۵ دقیقه انجام شد. سه سطح غلظت اسید نیتریک (۲۰، ۴۰ و ۸۰ میلی لیتر) برای بررسی اثر شدت نیتراسیون در نظر گرفته شد. پس از واکنش، محصولات به دقت شست وشو و خشک شدند. سپس ویژگی هایی مانند درجه استخلاف (DS)، ویسکوزیته، درجه پلیمریزاسیون (DP)، طیف سنجی FTIR، پایداری حرارتی به روش TGA و سرعت سوختن مورد ارزیابی قرار گرفتند.نتایج: نیتروسلولز حاصل از آلفاسلولز (NC) در مقایسه با نیتروسلولز نانوالیاف سلولز (NNC) درجه استخلاف بالاتری داشت. در NC، مقدار DS از ۱۵۱/۱ در غلظت ۲۰ میلی لیتر اسید نیتریک به ۵۴/۱ در ۸۰ میلی لیتر افزایش یافت، درحالی که در NNC مقدار DS بین ۰۸۸/۱ تا ۱۸۲/۱ متغیر بود. ویسکوزیته NC از ۸/۳۵۹ به ۹/۳۲۵ سانتی‎پواز با افزایش غلظت اسید کاهش یافت، درحالی که در نمونه های NNC به دلیل رفتار پلاستیکی، اندازه گیری ممکن نبود. درجه پلیمریزاسیون (DP) در NC از ۳۱۱ در غلظت پایین اسید به ۲۷۹ در غلظت بالا کاهش یافت. طیف سنجی FTIR کاهش جذب باندهای O–H در محدوده cm⁻¹۳۲۰۰–۳۶۰۰ و افزایش شدت باندهای نیترو در cm⁻¹۱۲۵۰–۱۶۵۰ را نشان داد. تحلیل گرماوزن سنجی (TGA) بیانگر پایداری حرارتی بالاتر NNC بود، به طوری که دمای تجزیه اصلی آن از °C۲۰۰–۲۳۰ در NC به °C۲۴۰–۲۷۰ در NNC افزایش یافت. در آزمون سرعت سوختن، نمونه های NC با میزان متوسط ۸/۲ mm/s سریع تر از NNC با نرخ mm/s ۹/۱ سوختند که بیانگر واکنش پذیری و اشتعال پذیری بیشتر نیتروسلولز آلفاسلولز است.نتیجه گیری: نوع ماده اولیه سلولزی، تاثیر تعیین کننده ای بر خواص نهایی نیترو سلولز دارد. نیتروسلولزهای تهیه شده از آلفاسلولز، به دلیل ساختار یکنواخت تر و دسترسی آسان تر گروه های هیدروکسیل، درجه استخلاف و نرخ سوختن بالاتری دارند که آن ها را برای کاربردهای انفجاری و پوششی مناسب می سازد. در مقابل، نانوالیاف سلولز به دلیل ساختار نانومتری، سطح تماس بیشتر و رفتار پیچیده تر، نیتروسلولزی با پایداری حرارتی بهتر و واکنش پذیری کنترل شده تولید می کند که برای کاربردهای ایمن تر و دقیق تر مناسب است. این یافته ها می توانند به بهینه سازی تولید نیترو سلولز و توسعه کاربردهای نوآورانه در حوزه انرژی، زیست پزشکی و کامپوزیت های پیشرفته کمک شایانی کنند.

کلیدواژه ها:

پایداری حرارتی ، درجه استخلاف ، واکنش پذیری سطح ، سرعت سوختن ، سلولز اصلاح شده ، نانوساختار