1
دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2
استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
3
دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی صنایع چوب و فراورده های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
10.22034/ijwp.2025.2067054.1718
چکیده
بیان مساله و اهداف: نانو الیاف سلولزی (CNF) بهعنوان یکی از مواد نوین و زیستپایه با ویژگیهای برجسته مکانیکی، نوری و محیطزیستی نقش مؤثری در توسعه محصولات نوآورانه در صنایع بستهبندی، نانو کامپوزیتها و کاغذهای عملکردی ایفا میکنند. با این حال، تولید صنعتی CNF با موانعی مانند مصرف بالای انرژی و هزینهبر بودن فرآیندهای آمادهسازی از جمله رنگبری و پالایش همراه میباشد. از سوی دیگر، استفاده از منابع لیگنوسلولزی غیرچوبی مانند کاه گندم، بهعنوان مادهای ارزان، فراوان و تجدیدپذیر، میتواند راهکاری مؤثر برای کاهش هزینههای تولید، بهبود کارایی فرآیند و سازگاری محیط زیستی باشد. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر مصرف انرژی در دو مرحلهی کلیدی پالایش مکانیکی (ریفاینر) و میکروفلویدایزر (فیبریلاسیون نهایی) بر ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی CNF حاصل از کاه گندم انجام شده است. همچنین این مطالعه به دنبال یافتن شرایط بهینه مصرف انرژی جهت تولید نانو الیاف با عملکرد بالا و حذف نیاز به مراحل رنگبری در فرآیندهای صنعتی میباشد. مواد و روشها: در این پژوهش، فرآیند خمیر سازی به روش سودا با شرایط مشخصی انجام گرفت؛ بهطوریکه میزان قلیاییات محلول پخت ۱۶ درصد، مدتزمان پخت ۳۰ دقیقه، دمای پخت ۱۶۰ درجه سانتیگراد و نسبت مایع پخت به کاه گندم ۳:۱ در نظر گرفته شد. خمیر حاصل بدون انجام عملیات رنگبری، مستقیماً وارد مرحله پالایش مکانیکی شد. این فرآیند با استفاده از دستگاه دیسک ریفاینر در چهار سطح انرژی شامل 130، 170، 250 و kWh/t 500 انجام گردید تا تأثیر شدت پالایش بر آمادهسازی الیاف برای میکروفیبریلاسیون بررسی شود. در گام بعد، نمونههای پالایششده در شش سطح عبور از دستگاه میکروفلویدایزر (۱ تا ۶ مرحله عبور متوالی) تحت فرآیند فیبریلاسیون نهایی قرار گرفتند تا نانو الیاف سلولزی تولید شود. در نهایت ویژگیهای مکانیکی شامل شاخص کشش، ترکیدن و طول پارگی و نیز ویژگیهای فیزیکی و نوری شامل ضخامت، زبری سطح، دانسیته و شفافیت نمونههای CNF ارزیابی شد. تمامی آزمونها بر اساس استانداردهای ISO و TAPPI انجام گردید. نتایج: نتایج نشان داد که افزایش مصرف انرژی تا یک نقطهی بهینه منجر به بهبود قابلتوجه در خواص مکانیکی CNF میشود. تیماری که در آن از انرژی kWh/t 170 در پالایش و kWh/t 258 در میکروفلویدایزر استفاده شده بود، عملکرد بهینهای از خود نشان داد. در این شرایط، شاخص کشش به N.m/g5/113 و طول پارگی به km5/11 رسید که نسبت به نمونه شاهد، بهبودی بیش از 220 درصد را نشان میدهد. همچنین در این شرایط، نمونهها دارای ضخامت کمتر، دانسیته بیشتر، زبری کمتر و شفافیت بهتری بودند که بیانگر ساختار یکنواختتر، توزیع مناسب نانو الیاف و پیوندهای بینالیافی قویتر میباشد. در مقابل، افزایش بیشازحد انرژی مصرفی در میکروفلویدایزر نهتنها به بهبود بیشتر منجر نشد بلکه در برخی موارد باعث افت خواص مکانیکی شد که احتمالاً ناشی از تخریب ساختار الیاف در اثر اعمال انرژی بیشازحد بوده است. نتیجه گیری: بررسی نتایج این پژوهش نشان میدهد که تولید CNF با کیفیت بیشتر از خمیر غیررنگبریشده کاه گندم و بدون نیاز به حذف لیگنین، امکانپذیر میباشد. حذف مرحله رنگبری نهتنها موجب کاهش مصرف انرژی و هزینههای تولید میشود، بلکه با حفظ ترکیبات ساختاری الیاف، عملکرد مکانیکی CNF را نیز تقویت میکند. همچنین طراحی دقیق میزان انرژی مصرفی در هر مرحله، عاملی کلیدی در بهینهسازی خواص نهایی محصول به شمار میرود. یافتههای این مطالعه میتواند بهعنوان مبنایی برای توسعه فرآیندهای صنعتی تولید از منابع غیرچوبی با رویکرد پایدار و مقرونبهصرفه مورد استفاده قرار گیرد.
[1] Ghaffar, S.H. and Fan, M., 2013. Structural analysis for lignin characteristics in biomass straw. Biomass and bioenergy, 57, pp.264-279.https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.07.015
[2] Gharehkhani, S., Sadeghinezhad, E., Kazi, S.N., Yarmand, H., Badarudin, A., Safaei, M.R. and Zubir, M.N.M., 2015. Basic effects of pulp refining on fiber properties—A review. Carbohydrate polymers, 115, pp.785-803.https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.08.047
[3] Spence, K.L., Venditti, R.A., Rojas, O.J., Habibi, Y. and Pawlak, J.J., 2011. A comparative study of energy consumption and physical properties of microfibrillated cellulose produced by different processing methods. Cellulose, 18(4), pp.1097-1111.http://dx.doi.org/10.1007/s10570-011-9533-z
[4] Isogai, A., Saito, T. and Fukuzumi, H., 2011. TEMPO-oxidized cellulose nanofibers. nanoscale, 3(1), pp.71-85.https://doi.org/10.1039/C0NR00583E
[5] Ismaeilimoghadam, S., Mahdavi, S., Pourhashemi, M., Shahraki, A. and Jonoobi, M., 2024. Mono Ethanol Amine (MEA) Pulping of Wheat Straw: An Environmentally Friendly Suggestion for the Fluff Pulp Production. Journal of Renewable Materials, 12(10), p.1771.http://dx.doi.org/10.32604/jrm.2024.054888
[6] Bita Moezzipour, Aida Moezzipour, Mohammad Ahmadi, Farajolah Hajializadeh, 2022. 'Structural properties and thermal stability of nano crystalline cellulose produced from waste paper', Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 13(1), pp.37-47. magiran.com/p2449462. (in persian) https://www.magiran.com/p2449462
[7] Chen, T., Xie, Y., Wei, Q., Wang, A., Hagman, O., Karlsson, O. and Liu, J., 2016. Effect of refining on physical properties and paper strength of Pinus massoniana and China fir cellulose fibers. BioResources, 11(3), pp.7839-7848. http://dx.doi.org/10.15376/biores.11.3.7839-7848
[9] Banavath, H.N., Bhardwaj, N.K. and Ray, A.K., 2011. A comparative study of the effect of refining on charge of various pulps. Bioresource Technology, 102(6), pp.4544-4551. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.12.109
[10] Djafari Petroudy, S.R., Chabot, B., Loranger, E., Naebe, M., Shojaeiarani, J., Gharehkhani, S., Ahvazi, B., Hu, J. and Thomas, S., 2021. Recent advances in cellulose nanofibers preparation through energy-efficient approaches: A review. Energies, 14(20), p.6792.https://doi.org/10.3390/en14206792
[11] Salehi, K., Kordsachia, O. and Patt, R., 2014. Comparison of MEA/AQ, soda and soda/AQ pulping of wheat and rye straw. Industrial crops and products, 52, pp.603-610. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.11.014
[13] FAO. (2022). Global wheat production statistics. Food and Agriculture Organization of the United Nations.
[14] Yang, H., Duan, Y., Wang, Z., Lu, D., Xu, T., Xie, H., Gao, M. and Si, C., 2025. Eco-friendly production of cellulose nanocrystals from corn straw through combined enzyme pretreatment, mild homogenization, and enzymolysis. Industrial Crops and Products, 224, p.120397.https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.120397
[15] Talaei Poor, M., 2009. Effect of refining of deinked pulp on the optical, physical and mechanical properties of paper. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 24(1), pp.148-157. (in persian)https://doi.org/10.22092/ijwpr.2009.117364
[16] Ahmadi, M., Hedjazi, S. and Salehi, K., 2017. Effect of beating time on the properties of soda and monoethanolamine pulp from wheat straw. https://www.magiran.com/p1691867
[17] Hawanis, H.S.N., Ilyas, R.A., Jalil, R., Ibrahim, R., Majid, R.A. and Ab Hamid, N.H., 2024. Insights into lignocellulosic fiber feedstock and its impact on pulp and paper manufacturing: A comprehensive review. Sustainable Materials and Technologies, 40, p.e00922.https://doi.org/10.1016/j.susmat.2024.e00922
[18] Zimmermann, T., Bordeanu, N. and Strub, E., 2010. Properties of nanofibrillated cellulose from different raw materials and its reinforcement potential. Carbohydrate polymers, 79(4), pp.1086-1093. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.10.045
[19] Moezzipour, B., Hedjazi, S., Yousefi, H. and Ahmadi, M., 2021. The influence of pulping process and energy consumption on properties of nanofibrillated lignocellulose (NFLC) films isolated from wheat straw. Drvna industrija, 72(4), pp.327-336 https://doi.org/10.5552/drvind.2021.2025.
[20] Henriksson, M., Berglund, L.A., Isaksson, P., Lindström, T. and Nishino, T., 2008. Cellulose nanopaper structures of high toughness. Biomacromolecules, 9(6), pp.1579-1585. https://doi.org/10.1021/bm800038n Ankerfors, M., 2012. Microfibrillated cellulose: Energy-efficient preparation techniques and key properties (Doctoral dissertation, KTH Royal Institute of Technology). https://urn:nbn:se:kth:diva-15922
[21] Lahti, J., Dauer, M., Hirn, U., Lahti, J. and Hirn, U., 2016, August. Linking paper structure to tensile deformation and fracture initiation. In Progress in Paper Physics Seminar 2016 Conference Proceedings, Darmstadt (pp. 71-75). http://www.tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5636
[22] Alemdar, A. and Sain, M., 2008. Isolation and characterization of nanofibers from agricultural residues–Wheat straw and soy hulls. Bioresource technology, 99(6), pp.1664-1671.https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.04.029
[23] Jonoobi, M., Mathew, A.P. and Oksman, K., 2012. Producing low-cost cellulose nanofiber from sludge as new source of raw materials. Industrial Crops and Products, 40, pp.232-238.https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2012.03.018
[24] Ferrer, A., Quintana, E., Filpponen, I., Solala, I., Vidal, T., Rodríguez, A., Laine, J. and Rojas, O.J., 2012. Effect of residual lignin and heteropolysaccharides in nanofibrillar cellulose and nanopaper from wood fibers. Cellulose, 19(6), pp.2179-2193.http://dx.doi.org/10.1007/s10570-012-9788-z
