ارزیابی شاخص نانوماده به عنوان پارامتر عیارسنجی در تولید نانوالیاف سلولزی

بیان مساله و اهداف: برای تولید نانوالیاف سلولزی، تنوع بسیار زیادی از پیش تیمارهای شیمیایی، آنزیمی روی مواد اولیه مختلف و از طریق روش های متعدد فیبریلاسیون مکانیکی مورد تحقیق و استفاده قرار گرفته است که باعث عرضه طیف وسیعی از نانوالیاف سلولزی و لیگنوسلولزی با ویژگی های کاربردی گوناگون شده است. به همین دلیل در طول دهه گذشته، روش های زیادی برای توصیف و ارائه معیارهایی برای سنجش کمی انواع نانوالیاف سلولزی توسعه یافته و از آن ها به عنوان پارامترهای عیارسنجی نام برده شده است. بر همین اساس، در این پژوهش، با تولید چند نمونه نانوالیاف سلولزی از یک ماده اولیه مشخص و از طریق بررسی شاخص درصد نانوماده و مقایسه آن با نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی و مقاومت کششی فیلم تولیدی، برخی نقاط ضعف و قوت شاخص درصد نانوماده در عیارسنجی نانوالیاف مورد بررسی و تحقیق قرار گرفت. بنابراین هدف اصلی این مقاله، مطالعه برخی نقاط ضعف و قوت پارامتر شاخص نانوماده برای عیار سنجی نانوالیاف سلولزی و محدوده کارایی این شاخص در مقایسه با روش های متداول ارزیابی مانند مقاومت به کشش فیلم و بررسی نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی بوده است.مواد و روش ها: با هدف تولید خمیرکاغذ و آماده سازی الیاف برای تهیه نانوالیاف سلولزی، خمیرکاغذکرافت حاصل از خرده چوب صنوبر با استفاده از قلیائیت ۱۴ درصد، نسبت مایع پخت به وزن خشک خرده چوب ۶ به ۱، دمای ۱۷۰ درجه سانتی گراد، سولفیدیته ۲۵ درصد و در زمان ۱۲۰ دقیقه تهیه شد. پس از شستشوی خمیرکاغذ قهوه ای حاصله، با هدف لیگنین زدایی و حذف لیگنین باقیمانده، از مرحله تیمار با هیپوکلریت سدیم و استخراج قلیایی با استفاده از هیدروکسید سدیم استفاده گردید. درصدخشکی خمیرکاغذ ۱۰ درصد و زمان رنگبری ۴۵ دقیقه و pH در حین رنگ بری در محدوده ۹ تا ۱۰ تنظیم گردید. همچنین استخراج قلیایی، با استفاده از هیدروکسید سدیم با غلظت ۲ درصد انجام و pH در این مرحله در محدوده ۱۰ تا ۱۱ حفظ شد. فرآیند تولید لیگنوسلولز نانوفیبریله با استفاده از دستگاه سوپر آسیاب دیسکی با دو شدت فیبریلاسیون زیاد (HC-CNF) و شدت فیبریلاسیون کم (LC-CNF) انجام شد. ترکیب شیمیایی خمیرکاغذ مورد استفاده، پراش پرتو ایکس و تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری ارزیابی شدند. با استفاده از سانتریفیوژ سوسپانسیون رقیق نانوالیاف (۰۲/۰ درصد وزنی) در ۳۵۰۰ دور در دقیقه به مدت ۱۵ دقیقه، شاخص درصد نانوماده برای مقایسه کیفیت نانوفیبریلاسیون ارزیابی شد. فیلم نانوالیاف سلولزی با گراماژ ۳۰ گرم بر مترمربع با روش فیلتراسیون خلا تهیه و مقاومت کششی آن ارزیابی شد.نتایج: ترکیب شیمیایی الیاف مورد استفاده شامل ۲/۹۸ درصد هولوسلولز با میانگین درجه بسپارش ۶۳۷ بوده است. میانگین قطری HC-CNF، ۹/۱۸ نانومتر و پراکنش ۲/۴۷-۰/۵ نانومتر، شاخص بلورینگی۷۰/۷۳ درصد و شاخص درصد نانوماده ۷۱/۲۶ و مقاومت به کشش ۱۱۰ مگاپاسکال بوده است که نشان دهنده فیبریلاسیون بهتر، درجه بلورینگی کمتر، مقاومت به کشش بیشتر و شاخص درصد نانوماده بیشتر بوده است. اما در خصوص LC-CNF، میانگین قطری، ۴/۲۰ نانومتر و پراکنش ۷۵-۲/۵ نانومتر و شاخص بلورینگی ۷۹/۷۳، شاخص درصد نانوماده ۵۴/۱۸ و مقاومت به کشش ۱۰۶ مگاپاسکال بدست آمده است. نتیجه گیری: با توجه به این موضوع که ارزیابی نانوالیاف تولیدی و عیارسنجی برای مقایسه و تبدیل نتایج کیفی به شاخص های عددی قابل اتکا، لازم و ضروی است، بطور معمول، شاخص های حاصل از ارزیابی مورفولوژی نانوالیاف تولیدی و مقاومت به کشش فیلم حاصل از نانوالیاف پیشنهاد می شوند. اما ارزیابی از طریق تصاویر میکروسکوپ الکترونی، بسیار وقت گیر و پرهزینه است. بعلاوه، در این ارزیابی، بخش فوق العاده کوچکی از حجم نانوالیاف تولیدی، بررسی می شود که تعمیم آن به کل نانوالیاف تولیدی چندان صحیح نیست. همچنین، نتایج این ارزیابی وابسته به اپراتور دستگاه و آزمونگر است. از سوی دیگر، بررسی مقاومت های فیلم حاصل از نانوالیاف نیز علاوه بر صرف وقت بسیار، خطاهای متعدد در نحوه تولید فیلم و اندازه گیری را به همراه دارد. اما در یک فرآیند مشخص در تولید نانوالیاف، شاخص نانوماده، در مقایسه با سایر روش های عیارسنجی بررسی شده در این تحقیق، قابلیت تمایز عددی بیشتر، هزینه و زمان بسیار کمتری ارائه نمود. افزایش تعداد دفعات عبور از دستگاه در میانگین قطری با ۸% اختلاف و در مقاومت به کشش با ۴% اختلاف نمایش داده شد. اما این پارامتر در شاخص نانوماده باعث ایجاد بیش از ۴۴% افزایش شد که قابلیت تمایز بیشتر در خصوص این شاخص را مشخص کرد.

کلیدواژه ها:

عیارسنجی ، شاخص نانوماده ، نانوالیاف سلولزی ، نانوفیبریل