تولید و ارزیابی نانو کاغذ از لینتر پنبه به روش انحلال جزئی

Abstract

سابقه و هدف: استفاده از سلولز و محصولات سلولزی در تولید ترکیبات زیستی در مقیاس نانو به علت مقاومت زیاد، وزن کم و زیست تخریب پذیری مورد مطالعه فراوانی قرار گرفته است. نانوساختارها از طریق روش‌های بالا به پایین یا پایین به بالا بدست می‌آیند. در این مطالعه، روش بالا به پایین انحلال جزئی، به عنوان یک روش ساده و سریع، جهت تولید نانوسلولز مورد استفاده قرار گرفت. با کنترل شرایط انحلال نظیر زمان و حلال، ارتباط و اتصال جانبی نانوفیبریل‌های مجاور را که از طریق پیوندهای هیدروژنی تأمین می‌شود، قطع و به طور جزئی زنجیرهای بیرونی نانوفیبریل را حل می‌نماید. با توقف واکنش انحلال جزئی و خروج حلال نانوفیبریل‌هایی که به طور جزئی انحلال پیدا کردند به همدیگر جوش خورده و فیلمی تشکیل می‌گردد که چون کاملا از نانوفیبریل‌های سلولزی و سلولز آمورف تشکیل شده است به آن نانوکاغذ اطلاق می‌گردد تحقیق حاضر به بررسی ویژگی‌های این محصول نانوکاغذی کاملا زیست سازگار حاصل از الیاف لینتر پنبه با روش انحلال جزیی می‌پردازد. <br /> مواد و روش‌ها: خالص‌سازی الیاف لینتر پنبه طی سه مرحله‌ی پنوماتیکی، شستشو با آب داغ و پخت شیمیایی با هیدروکسید سدیم انجام شد. از خمیر کاغذ حاصل مطابق با استاندارد TAPPIکاغذهای دست ساز ساخته شد. انحلال جزئی کاغذهای محتوی آلفا سلولز زیاد، در حلال دی متیل استامیدی/ 9درصد لیتیم کلرید (DMAc/LiCL) انجام شد و از ژل حاصل با پرس و خشک کردن، فیلم سلولزی شفاف بدست آمد. به منظور ارزیابی خواص ریخت شناسی، ساختار بلورین، خواص مکانیکی و حرارتی به ترتیب از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان، پراش پرتو ایکس، آزمونگر خواص مکانیکی و تحلیل‌گر وزن سنجی گرمایی استفاده شد.<br /> یافته‌ها: قطر نانوفیبریل‌های حل نشده با مطالعات میکروسکوپ الکترونی در حدود 60-66 نانومتر اندازه‌گیری شد. ریزنگارهای الکترونی، یکنواختی بافت نانوکاغذ را نسبت به کاغذ معمولی نشان داد. شفافیت بصری (پشت نمایی) نانو کاغذ به علت آزادسازی نانو ساختارهای سلولزی، یکپارچه شدن بافت، افزایش دانسیته و کاهش ناهمواری سطح و افزایش سطوح عبور نور قابل ملاحظه بود. نتایج خواص مکانیکی نشان داد که نانو کاغذ تنش کششی زیادتری را نسبت به کاغذ معمولی داشت. تنش کششی برای کاغذ و نانوکاغذ بترتیب 8.02و 27.28 (MPa) و مدول الاستیسیته کششی0.483 و 0.649(GPa) بدست آمد. الگوی پراش پرتو ایکس کاغذ معمولی، با سلولز نوع اول (I) مطابقت داشت. در اثر انحلال جزئی زنجیرهای بیرونی سلولزی نانوفیبریل‌ها در محیط حلال به طور نسبی آزاد شده و در اثر خروج حلال مجدد بازآرایی زنجیرها اتفاق افتاد. در بازآرایی مجدد بخش‌هایی به صورت بلورهای سلولز نوع دوم درآمده و نیز مقدار سلولز آمورف نیز افزایش می‌یابد. لذا در فرآیند انحلال جزئی و جامدشدن مجدد، نوع سلولز تغییر می‌کند. با بررسی اطلاعات پراش پرتو ایکس، پیک مرتبط با سلولز نوع دوم (II) و افزایش فاز آمورف در نانوکاغذ مشاهده شد، درجه بلورینگی کاغذ و نانوکاغذ به‌ ترتیب از 84.9 به 54.89 درصد محاسبه شد. اندازه نانو بلورهای سلولزی در کاغذ 6.44 نانومتر و در نانوکاغذ 2.55 نانومتر بدست آمد. نتایج بررسی پایداری حرارتی نشان داد که نانوکاغذ پایداری حرارتی کمتری نسبت به کاغذ معمولی داشت. <br /> نتیجه‌گیری: در ساختار نانوکاغذ، سلولز نوع βI حل نشده (نانو فیبریل‌های حل نشده) فاز تقویت‌کننده و سلولز نوع دوم (II) و نواحی بی‌شکل فاز زمینه را تشکیل می‌دهد. انحلال جزئی، بخشی از بلور‌ها را تخریب می‌کند و با خروج حلال و سخت‌شدن مجدد، بخشی از زنجیرهای ناحیه بی‌شکل بازآرایی پیدا می‌کنند و به بلور‌های سلولز II تبدیل می‌شوند در نهایت با ایجاد نانو ساختار یکنواخت، محصول مقاوم و با قابلیت پشت‌نمایی حاصل می‌شود. کاهش بلورینگی سلولز بر اثر انحلال منجر به افت پایداری حرارتی نانوکاغذ نسبت به کاغذ معمولی می‌شود.