و کلیات

1-1- سلولز

مواد سلولزی دارای کاربردهای بسیار زیاد و متفاوتی بوده و می­توانند برای تولید محصولات مختلف از جمله تولید پانلها، کاغذ و مقوا، الیاف، فیلم­ها، غشاهای نیمه تراوا، مواد منفجره و….. به کار روند. سلولز از نظر شیمیایی یک پلیمر خطی بوده و حاوی واحدهای مونومر β – D گلوكوپیرانوز است كه به وسیله پیوندهای 4®1 گلوكوزیدیك به هم متصل شده اند [فنجل و وگنر، b1989]. درجه بسپارش سلولز بسته به منبع و روشهای آماده سازی آن متفاوت می باشد. این مقدار در سلولز طبیعی حاصل از پنبه به بیشترین مقدار ممکن (15000) می رسد. همچنین برای مقایسه درجه بسپارش سلولز در خمیرکرافت بین 500 تا 2000 متغیر است [فنجل و وگنر، b1989].

2-1- باگاس (تفاله نیشکر)

از نظر مرفولوژیکی، باگاس دارای دو بخش مغز[1] و ساقه است. مغز باگاس از سلولهای پارانشیمی تشکیل می شود و لذا برای استفاده در تولید خمیرکاغذ مناسب نبوده و جداسازی (مغززدایی)  می شود. ساقه باگاس عمدتاً حاوی الیاف سلولزی با طول حدود 1700-1300 میکرومتر است که اندکی بیشتر از متوسط طول الیاف پهن برگان است که این مقادیر به منطقه جغرافیایی و نوع گونه نیشکر بستگی دارد. در شکل1-1 تصویری از باگاس نشان داده شده است.

3-1- نانو مواد

امروزه فرآوری و تولید محصولات بر پایه نانومواد از جمله زمینه های تحقیقات كاربردی در حال گسترش در تمامی علوم می باشد و تاكید بر آن در حدی است كه بازار محصولات بر پایه نانو در سال 2011 به حدود 20 میلیارد دلار رسیده است [جعفری پطرودی و همکاران، 1389].

4-1- نانو الیاف سلولزی

5-1- روشهای تولید نانو الیاف سلولزی

مواد اولیه مناسب برای تولید سلولز میکروفیبریله شده را می توان خمیرکاغذ چوب وگیاهان غیرچوبی، باکتری و پنبه نام برد. عموماً سلولز میکروفیبریله شده را می توان با روشهای مکانیکی متداول نظیر همگن سازی[تورباک و همکاران، 1983؛ سیورود و همکاران، 2009]، ریز سیال سازی[هنریکسون و همکاران، 2007 و 2008 ]، آسیابهای با قدرت بسیار زیاد[ ایواموتو و همکاران، 2007؛ نوگی و همکاران ، 2009؛ حسن و همکاران، 2012] وخرد کردن انجمادی[چاکرابورتی و همکاران، 2005] تولید کرد.

امروزه از برخی روشهای پیش تیمار شیمیایی و آنزیمی نیز به منظور سهولت جداسازی نانوالیاف در روشهای فوق استفاده می شود [زیمرمن و همکاران، 2010] که در بخش های بعدی به طور کامل در مورد آنها بحث خواهد شد.

1-5-1- همگن ساز

در همگن ساز الیاف خمیر هنگام عبور از دستگاه، تحت تاثیر افت ناگهانی فشار قرار می گیرند و همزمان فشار و نیروهای برشی بسیار 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  زیادی نیز به الیاف اعمال می شود. عموماً افت ناگهانی فشار درهمگن ساز از نوعManton-Gaulin 15MR حدود MPa55 بوده و الیاف به طور متوسط 10 تا 20 بار از این دستگاه عبور داده می شود و این مقدار بستگی به نوع الیاف سلولزی و روشهای پیش تیمار اعمال شده دارد [تورباک و همکاران، 1983؛ اندرسن و همکاران، 2006؛ اریکسن و همکاران، 2008؛ استنستاد و همکاران، 2008؛ سیورود و استنیس، 2009]. علاوه بر مصرف بسیار زیاد انرژی، کلوخه شدن الیاف در شیر ورودی این دستگاه نیز از مهمترین موانع استفاده از این دستگاه در تولید سلولز میکروفیبریله شده می باشد [زیمرمن و همکاران، 2010]. از طرف دیگر، سهولت استفاده و تولید، قابلیت تجاری کردن و تولید پیوسته از مهمترین مزایای این دستگاه می باشند [ سیورود و استنیس، 2009]. شکل1-2 همگن ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز در این تحقیق را نشان می دهد.

2-5-1- ریز سیال ساز

از آنجا که این دستگاه دارای بخشهای ورودی متحرک نیست لذا تولید نانوالیاف سلولز با این دستگاه، احتمال کلوخه شدن الیاف را نسبت به دستگاه همگن ساز کاهش می دهد. خمیرکاغذ از پمپ تشدید کننده ای که فشار خروجی را بهMPa276 افزایش داده و به همراه مخزنی که عملیات تبدیل الیاف سلولزی به نانو الیاف سلولزی را از طریق فشار و نیروی برشی انجام می دهد عبور می کند. میزان کلوخه شدن در این دستگاه به دلیل ایجاد فشار مخالف کمتر از همگن ساز است [هنریکسن و همکاران، 2008]. شکل1-3 تصویر دستگاه ریز سیال ساز مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز را نشان می دهد.

3-5-1- آسیاب های پرقدرت

این دستگاه شامل دو صفحه ثابت و چرخان می باشد که خمیر کاغذ با فشار زیاد از شکاف بین این دو صفحه برای تولید نانوالیاف سلولز عبور داده می شود. این صفحات دارای برجستگی ها و فرورفتگی های بسیار زیادی بوده که تماس الیاف با این صفحات منجر به تبدیل شدن آنها به ریزساختار تشکیل دهنده آنها خواهد شد و در ادامه نانو الیاف سلولز با افزایش تعداد عبور آنها از بین این صفحات تولید خواهد شد [نوگی و همکاران، 2009]. عموماً  کاربید سیلیسیم با درجه 46 برای تولید این صفحات مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین کاربید سیلیسیم با درجات مختلف، پیکر بندی و الگوهای متفاوت دیگر نیز می تواند برای تولید این صفحات مورد استفاده قرار گیرد.  نگهداری و تعویض صفحات مهمترین مانع برای استفاده از این دستگاه می باشد [نوگی و همکاران، 2009]. شکل1-4 تصویر آسیاب با قدرت بسیار زیاد مورد استفاده برای تولید نانوالیاف سلولز را نشان می دهد.

4-5-1- خرد کردن انجمادی

در این روش از نیتروژن مایع برای منجمد کردن آب آزاد خمیرکاغذ استفاده می شود و سپس از آسیابهای پرقدرت برای ایجاد نیروی برشی بسیار زیاد و جداکردن فیبریلها از دیواره سلولی استفاده  می شود [چاکرابورتی و همکاران، 2005].

1-Stator

2-Rotary

1-Homogenization

2-Microfluidization

3-High Pressure Supergrinder

4-Cryo-crushing

Microfibrillated Cellulose (MFC)

1- Nanofibrillated Cellulose (NFC)

Cellulose Nanowhisker (CNW)

Cellulose Nanocrystal (CNC)

Aspect Ratio

Celluphane

Regenerated Cellulose