مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

ارزیابی شاخص نانوماده به عنوان پارامتر عیارسنجی در تولید نانوالیاف سلولزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، مازندران، ایران.
2 دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تربیت مدرس
3 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذجنگلداری و صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، ایران
10.22034/ijwp.2025.2070159.1724
چکیده
بیان مساله و اهداف: برای تولید نانوالیاف سلولزی، تنوع بسیار زیادی از پیش‌تیمارهای شیمیایی، آنزیمی روی مواد اولیه مختلف و از طریق روش‌های متعدد فیبریلاسیون مکانیکی مورد تحقیق و استفاده قرار گرفته است که باعث عرضه طیف وسیعی از نانوالیاف سلولزی و لیگنوسلولزی با ویژگی‌های کاربردی گوناگون شده است. به همین دلیل در طول دهه گذشته، روش‌های زیادی برای توصیف و ارائه معیارهایی برای سنجش کمی انواع نانوالیاف سلولزی توسعه یافته و از آن‌ها 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 روش‌های متداول ارزیابی مانند مقاومت به کشش فیلم و بررسی نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی بوده است.
مواد و روش‌ها: با هدف تولید خمیرکاغذ و آماده‌سازی الیاف برای تهیه نانوالیاف سلولزی، خمیرکاغذکرافت حاصل از خرده چوب صنوبر با استفاده از قلیائیت 14 درصد، نسبت مایع پخت به وزن خشک خرده چوب 6 به 1، دمای 170 درجه سانتی‌گراد، سولفیدیته 25 درصد و در زمان 120 دقیقه تهیه شد. پس از شستشوی خمیرکاغذ قهوه‌ای 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 رنگ‌بری 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 (02/0 درصد وزنی) در 3500 دور در دقیقه به مدت 15 دقیقه، شاخص درصد نانوماده برای مقایسه کیفیت نانوفیبریلاسیون ارزیابی شد. فیلم نانوالیاف سلولزی با گراماژ 30 گرم بر مترمربع با روش فیلتراسیون خلأ تهیه و مقاومت کششی آن ارزیابی شد.
نتایج: ترکیب شیمیایی الیاف مورد استفاده شامل 2/98 درصد هولوسلولز با میانگین درجه بسپارش 637 بوده است. میانگین قطری HC-CNF، 9/18 نانومتر و پراکنش 2/47-0/5 نانومتر، شاخص بلورینگی70/73 درصد و شاخص درصد نانوماده 71/26 و مقاومت به کشش 110 مگاپاسکال بوده است که نشان‌دهنده فیبریلاسیون بهتر، درجه بلورینگی کمتر، مقاومت به کشش بیشتر و شاخص درصد نانوماده بیشتر بوده است. اما در خصوص LC-CNF، میانگین قطری، 4/20 نانومتر و پراکنش 75-2/5 نانومتر و شاخص بلورینگی 79/73، شاخص درصد نانوماده 54/18 و مقاومت به کشش 106 مگاپاسکال بدست آمده است.
نتیجه گیری: با توجه به این موضوع که ارزیابی نانوالیاف تولیدی و عیارسنجی برای مقایسه و تبدیل نتایج کیفی به شاخص‌های عددی قابل اتکا، لازم و ضروی است، بطور معمول، شاخص‌های حاصل از ارزیابی مورفولوژی نانوالیاف تولیدی و مقاومت به کشش فیلم حاصل از نانوالیاف پیشنهاد می‌شوند. اما ارزیابی از طریق تصاویر میکروسکوپ الکترونی، بسیار وقت‌گیر و پرهزینه است. بعلاوه، در این ارزیابی، بخش فوق‌العاده کوچکی از حجم نانوالیاف تولیدی، بررسی می‌شود 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 مقاومت‌های فیلم حاصل از نانوالیاف نیز علاوه بر صرف وقت بسیار، خطاهای متعدد در نحوه تولید فیلم و اندازه‌گیری را به همراه دارد. اما در یک فرآیند مشخص در تولید نانوالیاف، شاخص نانوماده، در مقایسه با سایر روش‌های 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 8% اختلاف و در مقاومت به کشش با 4% اختلاف نمایش داده شد. اما این پارامتر در شاخص نانوماده باعث ایجاد بیش از 44% افزایش شد که قابلیت تمایز بیشتر در خصوص این شاخص را مشخص کرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Almeida, R. O., Ramos, A., Kimiaei, E., Österberg, M., Maloney, T. C., and Gamelas, J. A., 2024. Improvement of the properties of nanocellulose suspensions and films by the presence of residual lignin. Cellulose, 31(18), pp.10951-10967. https://doi.org/10.1007/s10570-024-06222-y.
[2] Balea, A., Monte, M. C., Fuente, E., Sanchez-Salvador, J. L., Tarrés, Q., Mutjé, P., and Negro, C., 2023. Fit-for-use nanofibrillated cellulose from recovered paper. Nanomaterials, 13(18), pp.1-17. https://doi.org/10.3390/nano13182536.
[3] Liu, W., Liu, K., Du, H., Zheng, T., Zhang, N., Xu, T., and Zhang, K., 2022. Cellulose nanopaper: fabrication, functionalization, and applications. Nano-Micro Letters, 14(1), pp.1-27. https://doi.org/10.1007/s40820-022-00849-x.
[4] Yousefhashemi, S. M., Khosravani, A., and Yousefi, H., 2019. Isolation of lignocellulose nanofiber from recycled old corrugated container and its interaction with cationic starch–nanosilica combination to make paperboard. Cellulose, 26(12), pp.7207-7221. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02562-2.
[5] Dufresne, A., 2013. Nanocellulose: A new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16(6), pp.220-227.    https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.06.004.
[6] Desmaisons, J., Boutonnet, E., Rueff, M., Dufresne, A., and Bras, J., 2017. A new quality index for benchmarking of different cellulose nanofibrils. Carbohydrate Polymers, 174, pp.318-329. http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.carbpol.2017.06.032.
[7] Kangas, H., Lahtinen, P., Sneck, A., Saariaho, A. M., Laitinen, O., and Hellén, E., 2014. Characterization of fibrillated celluloses. A short review and evaluation of characteristics with a combination of methods. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 29(1), pp.129-143. pp. 129-143. https://doi.org/10.3183/npprj-2014-29-01-p129-143.
[8] Foster, E. J., Moon, R. J., Agarwal, U. P., Bortner, M. J., Bras, J., Camarero-Espinosa, S., and Youngblood, J., 2018. Current characterization methods for cellulose nanomaterials. Chemical Society Reviews, 47(8), pp.2609-2679. https://doi.org/ 10.1039/c6cs00895j.
[9] Reid, M. S., Villalobos, M., and Cranston, E. D., 2017. Benchmarking cellulose nanocrystals: from the laboratory to industrial production. Langmuir, 33(7), pp.1583-1598. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b03765.
[10] Ahola, S., Salmi, J., Johansson, L. S., Laine, J., and Österberg, M., 2008. Model films from native cellulose nanofibrils. Preparation, swelling, and surface interactions. Biomacromolecules, 9(4), pp.1273-1282. https://doi.org/ 1273-1282. 10.1021/bm701317k CCC: $40.75.
[11] Naderi, A., Lindström, T., and Sundström, J., 2015. Repeated homogenization, a route for decreasing the energy consumption in the manufacturing process of carboxymethylated nanofibrillated cellulose. 22(2), pp.1147-1157. https://doi.org/ 10.1007/s10570-015-0576-4.
[12] Espinosa, E., Domínguez-Robles, J., Sánchez, R., Tarrés, Q., and Rodríguez, A., 2017. The effect of pre-treatment on the production of lignocellulosic nanofibers and their application as a reinforcing agent in paper. Cellulose, 24(6), pp.2605-2618. https://doi.org/ 10.1007/s10570-017-1281-2.
[13] Mazega, A., Lehrhofer, A. F., Aguado, R. J., Potthast, A., Marquez, R., Rosenau, T., and Delgado-Aguilar, M., 2025. Key insights into TEMPO-mediated oxidation of cellulose: influence of starting material. Cellulose, 32, pp.5227–5246. https://doi.org/10.1007/s10570-025-06477-z.
[14] Sanchez-Salvador, J. L., Campano, C., Balea, A., Tarrés, Q., Delgado-Aguilar, M., Mutjé, P., and Negro, C., 2022. Critical comparison of the properties of cellulose nanofibers produced from softwood and hardwood through enzymatic, chemical and mechanical processes. International journal of biological macromolecules, 205, pp.220-230. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.02.074.
[15] Signori-Iamin, G., Santos, A. F., Corazza, M. L., Aguado, R., Tarrés, Q., and Delgado-Aguilar, M., 2022. Prediction of cellulose micro/nanofiber aspect ratio and yield of nanofibrillation using machine learning techniques. Cellulose, 29(17), pp.9143-9162. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04847-5.
[16] Segal, L. G. J. M. A., Creely, J. J., Martin Jr, A. E., and Conrad, C. M., 1959. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile research journal, 29(10), pp.786-794. https://doi.org/10.1177/004051755902901003.
[17] Liu, Y., Chen, B., Lv, Y., Ye, X., Lin, C., and Liu, M., 2022. Insight into the performance of lignin-containing cellulose nanofibers (LCNFs) via lignin content regulation by p-toluenesulfonic acid delignification. Cellulose, 29(4), pp.2273-2287. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04432-w.
[18] Espinosa, E., Rol, F., Bras, J., and Rodríguez, A., 2020. Use of multi-factorial analysis to determine the quality of cellulose nanofibers: Effect of nanofibrillation treatment and residual lignin content. Cellulose, 27(18), pp.10689-10705. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03136-3.
[19] Espinosa, E., Bascón-Villegas, I., Rosal, A., Pérez-Rodríguez, F., Chinga-Carrasco, G., and Rodríguez, A., 2019. PVA/(ligno) nanocellulose biocomposite films. Effect of residual lignin content on structural, mechanical, barrier and antioxidant properties. International Journal of Biological Macromolecules, 141, pp.197-206. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.08.262.
[20] Fu, H., Gao, W., Wang, B., Zeng, J., Cheng, Z., Xu, J., and Chen, K., 2020. Effect of lignin content on the microstructural characteristics of lignocellulose nanofibrils. Cellulose, 27(3), PP.1327-1340. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02859-2.
[21] Lovely, B., Kim, Y. T., Huang, H., Zink-Sharp, A., and Roman, M., 2025. Impacts of cycles of a novel low-pressure homogenization process on cellulose nanofibrils (CNF) as a sustainable packaging film material. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 9, pp.1-16 https://doi.org/10.1016/j.carpta.2025.100739.