هورنیفیکیشن: مکانیسم و روش اجرا Hornification: Mechanisms and Procedures

هورنیفیکیشن (hornification) یک پدیده برگشت ناپذیر در الیاف سلولزی است که طی آن سطوح سلولز در حین آب گیری و خشک شدن، پیوندهای شیمیایی بین خود ایجاد کرده و از تورم مجدد ماده در آب به ساختار اولیه جلوگیری می کنند. [11] این فرآیند عمدتا به دلیل بسته شدن برگشت ناپذیر حفرات ریز در دیواره الیاف رخ می دهد که منجر به فروپاشی الیاف می گردد. [11] پیوندهای متعدد هیدروژنی بین گروه های هیدروکسیل روی سطوح سلولز از جمله عوامل اصلی ایجاد این پدیده هستند، اگرچه ترکیبی از برهمکنش های آبگریز، نیروهای واندروالسی و پیوندهای هیدروژنی نیز در این فرآیند نقش دارند. [11] دما تاثیر مستقیمی بر شدت هورنیفیکیشن دارد. [11] رابطه بین درجه هورنیفیکیشن و سطح قابل دسترس الیاف برای جذب آب در دماهای زیر و بالای ۱۰۰ درجه سلسیوس رفتار خطی متفاوتی نشان می دهد که حاکی از مکانیسم های متفاوت هورنیفیکیشن در دماهای مختلف است. [11]. پارامترهای اصلی موثر بر درجه هورنیفیکیشن شامل تعداد چرخه های تر-خشک شدن، دما و مدت زمان خشک سازی می باشند. [12]. در روش اجرای متداول، الیاف سلولزی ابتدا در آب (معمولا آب لوله کشی معمولی) خیسانده شده و سپس در آون با دمای مشخص (معمولا ۸۰ تا ۱۰۵ درجه سلسیوس) خشک می شوند. [12] این چرخه های تر-خشک می تواند برای یک تا پانزده سیکل تکرار شود. [13]. مطالعات تجربی نشان داده اند که چهار چرخه هورنیفیکیشن بر روی خمیر کاج و اکالیپتوس (چه سفید شده و چه سفید نشده) بدون تخریب ویژگی های کلیدی الیاف، تنها سطح الیاف را اصلاح کرده و ظرفیت جذب آب آن ها را کاهش می دهد. [13]. در شرایط بهینه، هورنیفیکیشن متوسط (مانند ۶ سیکل تر-خشک) می تواند به طور موثر بلورینگی سلولز را افزایش داده، زبری سطح الیاف را افزایش داده و میزان ناخالصی های سطحی را کاهش دهد. [12]. با این حال، اصلاح بیش از حد (بیش از ۱۲ سیکل تر-خشک) می تواند یکپارچگی ساختار الیاف را کاهش داده، لومن را تخریب کرده و خواص فیزیکی الیاف را کاهش دهد. [12]. هورنیفیکیشن تغییرات ساختاری قابل توجهی در سطوح مولکولی، سوپرامولکولی و فراساختاری الیاف ایجاد می کند. [11]. این پدیده با تغییرات در تخلخل دیواره سلولی، بلورنگاری سلولز و تجمع فیبریل های سلولز ارتباط مستقیم دارد. [11]. با افزایش درجه هورنیفیکیشن، سطح قابل دسترس الیاف برای جذب آب به صورت خطی کاهش می یابد که این رابطه برای هر دو نوع چوب نرم و چوب سخت مشابه است [11]. همچنین، هورنیفیکیشن باعث کاهش پهنای الیاف در چوب های نرم و کاهش طول الیاف در چوب های سخت می شود که این تغییرات مورفولوژیکی به طور مستقیم بر خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت نهایی تاثیر می گذارد [11]. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) تغییرات مورفولوژیکی ناشی از هورنیفیکیشن از جمله فروپاشی لومن و افزایش زبری سطح را به وضوح نشان می دهد[12]. از نظر شیمیایی، هورنیفیکیشن با افزایش بلورینگی سلولز و کاهش گروه های هیدروکسیل در دسترس بر روی سطح الیاف همراه است[13]. آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) نشان می دهد که میانگین اندازه کریستالیت های سلولز پس از تیمار هورنیفیکیشن کاهش یافته و ساختار کریستالی سلولز I به عنوان فاز غالب باقی می ماند.[12]. آنالیز طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) کاهش جذب مربوط به گروه های هیدروکسیل و افزایش پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره های سلولز را نشان می دهد[13]. این تغییرات شیمیایی به کاهش ظرفیت نگهداری آب (WRV) الیاف تا ۳۰ درصد در نمونه های هوا-خشک شده نسبت به الیاف مرطوب منجر می شود[13]. هورنیفیکیشن به عنوان یک روش سبز و کم هزینه، تفاوت های قابل توجهی با سایر روش های اصلاح الیاف دارد[14]. در حالی که روش های شیمیایی مانند سیلان و سل-ژل نیازمند مواد شیمیایی خطرناک، دماهای بالا و زمان های طولانی هستند، هورنیفیکیشن تنها با استفاده از آب و چرخه های ساده تر-خشک انجام می شود و هیچ ماده شیمیایی مضری وارد محیط نمی کند[14]. در مقابل روش شیمیایی تیمار قلیایی که اگرچه عملکرد فیزیکی و مکانیکی بهتری از خود نشان می دهد اما هزینه بالاتر و اثرات زیست محیطی بیشتری دارد، هورنیفیکیشن به عنوان یک جایگزین پایدارتر با ردپای کربن بسیار کمتر مطرح است[15]. همچنین، هورنیفیکیشن با الیاف در طیف گسترده ای از گونه های گیاهی از جمله کاج، اکالیپتوس، بامبو، کنف، سیسال، موز، هنکوئن و کویر قابل اجرا است که نشان دهنده قابلیت کاربرد عمومی این روش است[14]. یکی از مزایای مهم هورنیفیکیشن، اثر هم افزایی آن با سایر روش های اصلاحی است[13]. مطالعات نشان داده اند که هورنیفیکیشن را می توان به عنوان یک پیش تیمار قبل از کربناتاسیون تسریع شده اعمال کرد و نتایج بهتری در حفظ الیاف و چگال شدگی ماتریس پس از پیری تسریع شده به دست آورد[13]. با این حال، مهمترین محدودیت هورنیفیکیشن کاهش قابل توجه تری در جذب آب (حدود ۱۰-۱۵ درصد) نسبت به روش های شیمیایی (کاهش ۲۰-۳۰ درصدی) ایجاد می کند[15]. با این وجود، از آنجا که هورنیفیکیشن هیچ افت استحکامی در الیاف ایجاد نمی کند (در حالی که روش های شیمیایی می توانند منجر به کاهش استحکام خمشی تا ۳۵ درصد شوند)، این روش برای کاربردهایی که حفظ استحکام مکانیکی در اولویت است بسیار مناسب می باشد[14]. به طور کلی، هورنیفیکیشن به عنوان یک روش ساده، اقتصادی و کاملا سازگار با محیط زیست، گزینه ای بسیار جذاب برای اصلاح الیاف سلولزی در صنعت فایبر سمنت محسوب می شود[14].