واحدچالوس
دانشکده کشاورزی
گروه صنایع چوب و کاغذ
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc
رشته مهندسی صنایع چوب و کاغذ
عنوان:
بررسی خواص فیزیکی، مکانیکی و ریخت شناسی فیلم حاصل از نانوفیبر سلولز / پلیوینیلالکل
استادراهنما:
دکتربهزاد کرد
اساتیدمشاور:
دکترحسین یوسفی
دکتر عبدالله نجفی
پژوهشگر:
بهروز ملکیان
مهر 1393
تنها خداست
که مطلق است

موعود
از همه سوی جهان جلوهی او میبینم
جلوهی اوست جهان کز همه سو میبینم
(شهریار)
تقدیم به:
خانواده عزیزم، پدر دلسوز ، مادر مهربان و خواهر عزیز تر از جانم
که زبان از بیان خوبیهای آنها قاصر است
که در تمامی مراحل زندگی و در همه شرایط پشتوانه واقعی من بودند تا من یک به یک پلههای ترقی را پشت سر بگذارم و هم اکنون زیر سایه آنها در اینجا ایستادهام.
تشکر و قدردانی:
تشکر فراوان دارم از تمامی اساتید محترم گروه صنایع چوب و کاغذ که تا هم اکنون از هیچ لطفی در حق بنده دریغ نکردند، همچنین تمامی دوستانم که در به پایان رساندن این پایان نامه مرا یاری کردند.
تشکر ویژه از جناب آقای دکتربهزاد کرد دارم که کمال لطف و همکاری را با اینجانب داشتند و نه تنها در مقام استاد راهنما ، بلکه به عنوان یک دوست و برادر بزرگتر این جانب را همیشه یاری کرده اند .
همچنین تشکر ویژه از جناب آقایان دکتر حسین یوسفی و کتر عبدالله نجفی در مقام استاد مشاور، که مشورت های ایشان در طول این پایان نامه بسیار مؤثر واقع گردید و هیچگونه همکاری را دریغ نکردند.
از جناب آقای دکتر حسین زاده ، مدیر گروه محترم صنایع چوب و کاغذ کمال تشکر و قدردانی را دارم.
از جناب آقای دکتر رامین ویسی که قبول زحمت کردهاند و داوری این پابان نامه را قیول کردهاند کمال تشکر و قدردانی را دارم.
از اساتید گرامی سازمان استاندارد ایران آقایان دکتر مهدی روحانی ودکتر شعبانیان کمال سپاسگذاری را دارم.
از دوستان عزیزم ،مهندس فرزاد کیا، مهندس مرتضی انصاری، مهندس محمدرضا سلیمیفرد و مهندس حیدرعلی تذروی که در این مدت طولانی با کمک های بی دریغشان مرا در به پایان رساندن این راه طولانی همیاری کرده اند نیز کمال تشکر و قدردانی را دارم.
از دوستان عزیز خود مهندس سید علی حسامزاده، مهندس بهزاد غفوری و مهندس فرزام نیرومند دانشجویان رشته صنایع چوب و کاغذ دانشگاه تربیت مدرس نور که در این مدت با کمکهای خود به پایان رساندن این پایان کمک فراوانی کردهاند کمال تشکرو قدردانی را دارم.
از ریاست محترم دانشگاه شهید بهشتی پردیس زیرآب آقای دکتر کرمانیان، معاونت پژوهشی آقای دکتر امید رمضانی، مسئول آزمایشگاه خانم مهندس رزمپور که با اجازه انجام کار و استفاده از امکانات آزمایشگاه آن واحد در پیشرفت کار این پایان نامه بسیار کمک کردند و دانشجوی آن واحد آقای مهندس میلاد تاجیک صمیمانه تشکر میکنم.
فهرست
فصل اول15
1-مقدمه16
1-1 پليمرها و انواع آن17
1-1-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خاستگاه طبیعی18
1-1-3- پلی وینیل الکل19
1-2-نانو کامپوزيت19
1-3-فناوری نانو چیست ؟22
1-1-3-استفاده از مواد لیگنوسلولزی در علوم و فناوری نانو22
1-4- سلولز24
1-4-2- نانو ذرات سلولز و خواص آنها27
1-4-2-1- نانو فیبر27
1-4-2-2- نانوكريستال سلولز27
1-5 اهداف و ضرورت تحقيق29
سوال تحقيق29
فصل دوم31
مروري بر مطالعات انجام شده32
فصل سوم37
3- مواد و روشها:38
3-1-مواد شیمیایی مورد استفاده38
3-1-1-پلی ونیل الکل38
3-1-2- نانو فیبر سلولز39
3-2-فرآیند ساخت فیلم41
شکل 5-3- دستگاه اولتراسونیک42
3-3-آزمونها43
3-3-1- اندازه گيري ضخامت فيلم43
3-3-2- اندازه گيري خواص مكانيكي43
3-3-3- ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسیل میدان FE-SEM44
3-3-4-رنگ سنجی44
3-3-5- زاویه تماس45
3-3-6-تحلیل آماری45
فصل چهار46
4- نتایج47
1-4- اندازهگیری ضخامت47
2-4- زاویه تماس47
4-4- ویژگیهای مکانیکی فیلم50
4-4-1- استحکام کششی51
4-4-2- ازدیاد طول52
4-4-3- مدول یانگ53
4-5-1- فاکتور L* (0:روشنی؛ 100: تیرگی)55
4-5-2- فاکتور a* (-:سبزی؛ +: قرمزی)56
4-5-3- فاکتور b* (- :آبی؛ + : زردی)57
4-5-4- فاکتور ΔL )اختلاف رنگ کلی)58
4-5-5- فاکتور YI* )فاکتور زردی)59
4-5-5- فاکتور WI* )فاکتور سفیدی)60
4-6- تصاویر میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM) از نانوفیبر سلولز تولید شده و میکروسکوپ الکترونی روبشی FE-SEM از فیلمهای تهیه شده61
فصل پنج64
5- بحث و نتیجهگیری65
5-1- خواص مکانیکی65
5-1-1- استحکام کششی65
5-1-2- ازدیاد طول65
5-1-3-مدول یانگ66
5-2- زاویه تماس66
5-3- ویژگیهای نوری فیلم67
منابع68
فهرست جداول
جدول1-2-انواع نانوسلولز25
جدول 3-1- برگه اطلاعات پلی وینیل الکل33
جدول 1-4- میانگین ضخامت نمونه ها43
جدول 2-4 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر زاویه تماس فیلمهای ساخته شده درثانیه 044
جدول 3-4 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر زاویه تماس فیلمهای ساخته شده درثانیه 544
جدول 4-4 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر زاویه تماس فیلمهای ساخته شده درثانیه 1044
جدول 4-5 میانگین خواص کششی انواع فیلم پلیوینیل الکل ساخته شده46
جدول 4-6 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر استحکام شکست فیلمهای ساخته شده47
جدول 4-7 تجزیه واریانس مقدارنانوسلولز بر ازدیاد طول فیلمهای ساخته شده48
جدول 4-8 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر مدول یانگ فیلمهای ساخته شده49
جدول 4-9 فاکتورهای رنگ فیلمهای پلی وینیل الکل تولیدی50
جدول 4-10 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر فاکتور روشنی، تیرگی (L*)51
جدول 4-11 تجزیه واریانس مقدار نانو سلولز سبزی،قرمزی (a*)52
جدول 4-12 تجزیه واریانس مقدار نانو سلولز بر فاکتور آبی، زردی (b*)54
جدول 4-13 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر فاکتور اختلاف رنگ کلی(ΔL)55
جدول 4-14 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر فاکتور زردی (YI*)56
جدول 4-15 تجزیه واریانس مقدار نانوسلولز بر فاکتور سفیدی (WI*)57
فهرست اشکال
شکل1-1-نمودار مصرف پليمرهاي پتروشيميايي از سال 1950 تا 201017
شکل1-2 فرايند هاي پراکنش نانو سلولز در ماتريس پليمري به روش قالب ريزي محلول21
شکل 1-3- ساختارملكوليزنجيرهسلولز26
شکل 1-4- اجزا و ابعاد تقريبي ريزساختار الياف سلولزي ساقه گياهي27
شکل 1-5- ميكروفيبريل هاي سلولزي احاطه شده در قالب ليگنين و همي سلولز27
شکل 3-1-دستگاه سوپرآسیابMKCA6-2ساخت ژاپن41
شکل 3-3- نانوسلولز تشکیل شده بعد از آبگیری به وسیله فیلترغشا43
شکل 3-4-اثر فزآیند سوپرآسیاب بر کاهش ابعاد و توزیع و متوسط قطری فیبرهای سلولزی43
شکل 3-5- دستگاه اولتراسونیک45
شکل 3-6- دستگاه تست مکانیکی مدلTVT-300XPساخته شده در کشور سوئد48
شکل 3-7- ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسیل میدان ساخت کشورچک48
شکل 4-1 تاثیرمقدارنانوسلولزبرزاویه تماس فیلمهای ساخته شده در زمانهای مختلف51
شکل 4-2زاویه تماس فیلمهای ساخته شده در زمانهای مختلف51
شکل 4-3 تاثیر مقدار نانوسلولز براستحکام کششی فیلمهای ساخته شده55
شکل 4-4 تاثیر مقدار نانوسلولز برکشامدشکست فیلمهای ساخته شده56
شکل 4-5 تاثیر مقدارنانوسلولز بر مدول یانگ فیلمهای ساخته شده57
شکل 4-6 تاثیر مقدار نانوسلولز بر فاکتور L*فیلمهای ساخته شده59
شکل 4-7 تاثیر مقدار نانوسلولز بر شاخصa*فیلمهای ساخته شده60
شکل 4-8 تاثیر مقدار نانو سلولز بر شاخصb*فیلمهای ساخته شده62
شکل 4-9 تاثیر مقدار نانوسلولز بر فاکتور ΔLفیلمهای ساخته شده63
شکل 4-10 تاثیر مقدار نانو سلولز بر فاکتور YI*فیلمهای ساخته شده63
شکل 4-11 تاثیر مقدار نانو سلولز بر فاکتور WI*فیلمهای ساخته شده65
شکل 4-12 تصاویر میکروسکوپ الکترونی گسیل میدان ،نانو فیبرسلولز67
چکیده :
در این پژوهش، خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیتهاي حاصل از نانوفیبر سلولز وپلیمر پلیوینیلالکل مورد بررسی قرارگرفت. نانوکامپوزیتها از اختلاط پلیمر پلیوینیلالکل به عنوان ماتریس تجزیه شونده و سوسپانسیون نانوفیبرسلولز بهعنوان فاز تقویتکننده طبیعی تجزیه شونده تهیه شدند. نانوفیبرهای سلولز با روش سوپر آسیاب از مخلوط سوزنی برگان تهیه گردید. فیبرهای سلولزی با استفاده از میکرسکوپ نیروی اتمی AFM مورد ارزیابی قرار گرفتند و قطر آنها 10±32 نانومتر اندازهگیری شد. پلیمرهاي پلیوینیلالکل به منظور تهیه محلول پلیمر در آب مقطر حل گردیدند. نانوکامپوزیتها پس از اختلاط محلول پلیمر با سوسپانسیون حاوي نانوفیبر سلولز، با روش قالبگیري محلول تهیه شدند. خواص مکانیکی در رطوبت 55% اندازه گیری شد و افزایش معنی داری با افزایش درصد نانو در مقاومت مکانیکی مشاهده گردید. نتایج خواص مکانیکی نشان داد، مدول یانگ و استحکام کششی را به ترتیب 97 و 80 درصد افزایش داده است. بررسی ریخت شناسی فیلمهای ساخته شده، به وسیله میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانیFE-SEM نشان داد سازگاری و سطح مشترک مناسب بین پلیمر و نانوفیبرهای سلولزی حاصل شده است. همچنین پراکنش مناسب نانوساختارهای سلولزی درپلیمر وجود داشت. در بررسی خواص زاویه تماس فیلمهای ساخته شده افزایش چشمگیری مشاهده نشد و بر اساس گروه بندی دانکن تفاوت معنی داری رویت نشد.
واژههاي کلیدي: نانوکامپوزیت، نانوفیبر سلولز، پلیونیلالکل ، خواص مکانیکی
1-مقدمه
آلودگی محیط زیست و راههای مقابله با آن یکی از مسائلی است که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است و گرایش به سمت طبیعت امروزه در اکثر کشورهای پیشرفته و صنعتی به چشم میخورد. اگر چه طبیعت توانایی خودپالایی آب و هوا را دارد ولی با افزایش جمعیت، بالا رفتن سطح زندگی و رشد صنایع، سرعت آلوده سازی اغلب بیشتر از خودپالایی طبیعت میباشد. (نوشیروانی 1389)
تا قبل سال 1960 در کشورهای صنعتی توجه زیادی به آلودگی محیط زیست به عمل نمیآمد. در سال 1960 اولین زنگ خطر آلودگی هوا در لسآنجلس آمریکا زده شد. مه دود فتوشیمیایی در این مناطق باعث آبریزش چشم، سوزش گلو و خفگی گردید. از آن زمان به بعد با بررسی تغییرات به وقوع پیوسته در ترکیب اتمسفر و مسائلی همچون؛ نابودی لایه ازن، بارانهای اسید،محلول فتوشیمیایی و اثر گلخانهای تلاشهای فراوانی برای درک بهتر شیمی محیط زیست صورت گرفت و کمکم نیاز مبرم به کنترل آلودگی محیط زیست برای حفظ یک توسعه پایدار در جهان احساس گردید. (الماسی 1388)
پلاستیکهای مورد استفاده یکی از عوامل آلاینده محیطزیست یه شمار میآیند. این ترکیبات به دلیل دارا بودن ماهیت غیر زیست تخریب پذیر در محیط زیست باقی مانده و آلودگیهای زیست محیطی را موجب میشوند.
از سال 1970 و با وخیم شدن مشکل دفن زباله در سطح جهان استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مطرح گردید که اولین موضوع در خصوص کیسههای زباله و مواد یکبار مصرف بود طوری که 30% از پلاستیکهای تولیدی برای مصارف یکبار مصرف میباشد و تنها 2% از آن بازیابی میگردد لذا پلیمرهای زیست تخریب پذیر بعنوان جایگزین مناسب پلاستیکهای رایج مطرح گردید. (نوشیروانی 1389)
برای حل این مشکل، پژوهشگران به فکر استفاده از ترکییبات زیست تخریب پذیر افتادهاند. ترکیباتی که به سادگی در محیطزیست تخریب شده و به چرخه کربن وارد شوند. بایوپلیمرها جایگزین مناسبی برای ترکیبات سنتزی به شمار میروند، آنها از منابع تجدید پذیر بدست میآیند و به وفور در طبیعت یافت میشوند.
1-1 پليمرها و انواع آن
پليمرها بزرگ مولکولهايي هستند که از تعداد زيادي واحدهاي همسان تکراري به نام مونومر تشکيل شدهاند. پليمرها به طور کلي داراي وزن مولکولي بيشتر از 5000 هستند. از دير باز پليمرها کارايي زيادي در زندگي انسان ها داشتند و امروزبه مهم ترين موضوع تحقيقات تبديل گشتند.
پليمرها را ميتوان از نظر منشا توليد آن به دو دسته مصنوعي و طبيعي تقسيم کرد. پليمرهاي مصنوعي به طور عمده از منابع نفتي تهيه ميشوند. توليد و مصرف پليمرهاي نفتي به طور تقريبي از اواسط قرن بيستم شروع شده و به طور فزايندهاي پيشرفت کرده است. در شکل 1-1 روند افزايش مصرف اين نوع پليمرها طي دهههاي مختلف نشان داده شده است(David teegarden، 2004).
شکل1-1-نمودار مصرف پليمرهاي پتروشيميايي از سال 1950 تا 2010 (David teegarden، 2004).
اين افزايش مصرف پليمرهاي مصنوعي (بر پايه نفت) به دليل محدود بودن منابع نفتي ، تخريب پذير نبودن در محيط زيست و آلودگي آن نگراني هاي زيادي را بوجود آورده و باعث جلب نظر دانشمندان به سمت بررسي پليمرهاي طبيعي ( زيست تخريب پذير) شده است.
پليمرهاي طبيعي در طبيعت توسط فعاليت طيف وسيعي از موجودات زنده مثل گياهان ، جانوران و باکتري ها توليد مي شوند. اين مواد به سادگي توسط فعاليت موجودات زنده به ريز واحد هاي سازنده خود تجزيه شده و در محيط زيست باقي نميمانند. توليد و استفاده اين پليمرها در صنعت براي اين منظور و با هدف داشتن صنعتي در خدمت توسعه پايدار و حفظ زيست بوم هاي طبيعي در دستور کار بسياري از کشورهاي پيشرفته قرار گرفته است. چند نوع عمده از پليمر هاي طبيعي را در جدول زير مي توانيد ملاحظه کنيد(David teegarden، 2004).
پلیمرهای زیست تخریب پذیر براساس اجزای تشکیل دهنده آن از نظر خاستگاه به دو دسته طبیعی و غیر طبیعی تقسیم میگردد.
1-1-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خاستگاه طبیعی
پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خاستگاه طبیعی به شش گروه تقسیم میشوند؛ پلیساکاریدها، مانند: نشاسته سلولز و پروتئینها، پلیاترهای تولید شده از میکروارگانیسمها یا گیاهان، مانند: پلیهیدروکسیالکانوآتها یا
پلیهیدروکسیبوتیرات، پلیاسترهای ساخته شده بر پایه منومر طبیعی نظیر پلیلاکتیکاسید.
1-1-2-پلیمرهای زیست تخریب پذیر سنتزی
پلیمرهای زیست تخریب پذیر زیادی وجود دارد که از مواد اولیه پتروشیمی تولید میشوند که میتوان از جمله آنها به پلیاسترهای آلیفاتیک زیر را نام برد:
پلیگلایکولیکاسید
پلیاسترهایآروماتیک یا ترکیب با پلیاسترهایآلیفاتیک
پلیوینیلالکلها
پلیالفینهای اصلاح شده
جدول 1- 1-ليست چند نوع عمده پليمرهاي طبيعي(David teegarden، 2004).نوعمثالمنشاپلي ساکاريدسلولز ، آميلوز، نشاستهگياهيپروتيئنکلاژن، الاستين، ژلاتينحيوانيپلينکلويتيدDNA, RNAحيوانيپلياسترپليهيدروکسيآلکانواتميکروارگانيسمليگنين-گياهيپليايزوپرنس-1-1-3- پلی وینیل الکل
پلی(وینیل الکل) بزرگ ترين پليمر سنتزي قطبي توليد شده در دنيا از نظر فراواني است كه زيست تخريب پذيري در محيط زيست مهم ترين ويژگي آن است. پلی(وینیل الکل) پلیمری نیمه بلوری و محلول در آب با خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه است. با توجه به ناپایداری مونومر وینیل الکل و تبدیل ناخواسته آن به آلدهید، این مونومر قابلیت پلیمر شدن و تبدیل به پلی(وینیل الکل) را ندارد. از این رو، معمولا این پلیمر از واکنش صابونی کردن پلی(وینیل استات) به دست میآید. (Kokabi و همکاران، 2007)،. پلی(وینیل الکل) به دلیل خواص ویژه، نظیر سازگاری با محیط زیست، انحلال پذیری در آب، مقاومت کششی زیاد، مقاومت زیاد در برابر خوردگی در محیطهای قلیایی، نفوذ پذیری کم در برابر گازها و خواص نوری مطلوب در صنایع نساجی، کاغذ سازی، بسته بندی و پزشکی کاربردهای گستردهای دارد (Lyoo و همکاران، 2000). در بسیاری از کاربردهای پلی (وینیل الکل) از جمله در تولید الیاف مصنوعی و همچنین به عنوان پوشش ئر صنایع کاغذسازی، وزن ملکولی آن اهمیت بسیاری دارد. در سایر کاربردها نیز وزن ملکولی به دلیل اثر مستقیم بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر مورد توجه قرار میگیرد. (Navarchian و Mousazadeh، 2010)
خصوصیت شیمیایی این پلیمرها، یعنی واکنش پذیري گروههاي هیدروکسیل فراوان آنها به شدت به مقدار
گروههاي استیل باقی مانده یا درجه هیدرولیز آنها بستگی دارد. به لحاظ تئوري گریدهاي به صورت جزیی هیدرولیز شده را میتوان به عنوان مخلوطی از پلیمرهاي وینیلالکل و وینیلاستات در نظرگرفت. رابطه بین درجه هیدرولیز و خواص پلیمر منجر به تولید انواع (گریدهاي)مختلفی از پلی(وینیل الکل) با خصوصیات متنوع میشود. این تنوع در خواص امکان استفاده از پلی(وینیل الکل) کاربردهاي مختلفی را پدید میآورد. یکی از مهمترین کاربردهاي این پلیمرها ، استفاده از آنها به عنوان ماتریس در نانوکامپوزیتهاي زیست تجزیهپذیر میباشد.
1-2-نانو کامپوزيت
جامد چند فازي است که يک يا چند فاز آن ابعادي در اندازه نانو متر دارد. اين امر موجب به منجر به خواص منحصر به فردي در مقايسه به کامپوزيت هاي مرسوم ميشود. خواص بهبود يافته نانو کامپوزيت ها شامل خواص مکانيکي بهتر ، مقاومت شيميايي بالاتر، کاهش نفوذ گازي، هدايت الکتريکي بالا در ميزان کمتري از پر کننده ها در مقايسه با پر کننده هاي مرسوم و همچنين فرايند پذيري بهتر است. خواص نانوکامپوزيتها به طور قابل ملاحظهاي به پرکنندهها بستگي دارد. امروزه نانو کامپوزيتها کاربردهاي زيادي مانند کاربرد در مواد الکتريکي، صنعت خودرو، هواپيمايي، بسته بندي، حسگرها، محرکها، رهايي دارو و پوششها و رنگريزهها دارند. برخي نانو کامپوزيت ها که تخريب بيولوژيکي نميشوند تهديدي براي طبيعت به شمار ميروند. در سالهاي اخير تحقيقات بر روي نانوکامپوزيتهاي پليمري بيولوژيکي که در محيط تجزيه ميشوند گسترش يافته است، زيرا آنها ما را از سوختهاي فسيلي بينياز ميکنند. در مقابل خواص منحصر به فرد نانوکامپوزيتها ، در ساخت آنها مشکلات فرايندي قابل توجهي وجود دارد که نقش تعيين کنندهاي دارند. مهمترين مشکل فرايندي تهيه نانو کامپوزيتها عدم توزيع يکنواخت ذرات نانو در فاز زمينهاي و کاهش خواص مکانيکي آن است. يکي از مهمترين روشهاي پراکنش ذرات نانو در ماتريس پليمري قالب ريزي محلول با استفاده از تبخير حلال آلي يا آبي که به شرح زير ميباشد( Gilberto Siqueiraو همکاران، 2010).
تولید نانوکامپوزیت ها راه کار دیگری برای بهبود خواص کاربردی فیلم های زیست پلیمری است. نانوکامپوزیت ها به کامپوزیت های حاوی پرکننده های تقویت کننده گفته می شود که یکی از ذرات پرکننده آن دارای ابعاد نانومتر باشد. بر اساس شکل هندسی نانوپرکننده، نانوکامپوزیت ها را می توان به سه گروه زیر دسته بندی کرد :
1- کامپوزیت های تقویت شده با ورقه هایی با ضخامت در حد نانومتر مانند نانوخاک های رس
2- کامپوزیت های تقویت شده با لوله ها یا رشته ها ( Whiskers) با قطری در ابعاد نانومتر مانند نانولوله های کربنی، نانوبلور های سلولز و نانوبلور کیتین .
3- نانوکامپوزیت های تقویت شده با ذرات کروی در ابعاد نانومتر که در این گروه به اکسیدهای فلزات در اندازه نانومتر، سیلیکا و کربن می توان اشاره کرد.
1-2-1 قالب ريزي محلول با استفاده از تبخير حلال آلي يا آبي
اين روش متداولتر است و تشکيل شبکه بين ذرات نانو و پليمر بهتر صورت ميگيرد.
بر اساس پليمر و حلال سه فرايند مختلف در اين روش وجود دارد :
استفاده از حلالهاي آبي
استفاده از روش اموليسيون
استفاده از حلالهاي غير آبي
شکل1-2 فرايند هاي پراکنش نانو سلولز در ماتريس پليمري به روش قالب ريزي محلول Gilberto)و همکاران، 2010)
استفاده از حلالهاي آبي:
در اين روش حلال واسطه استفاده ميشود و پليمر زمينهاي و نانو ذرات در آب حل شده و بعد از تبخير آب فيلم بدست آمده نانو کامپوزيت سلولزي است.
اين روش دو محدوديت دارد: 1- پليمرهايي که در اين روش استفاده ميشوند محدود به پليمرهاي آب دوست ميشوند. 2- بدليل اينکه پليمر آب دوست است ، خارج کردن آب از آن مشکل است که معمولا اينکار تحت شرايط آون خلا بايد انجام شود (Gilberto و همکاران، 2010).
استفاده از روش امولسيون:
اين روش براي پليمرهاي غير قطبي مورد توجه است. در اين روش نيز از آب به عنوان حلال واسطه استفاده مي شود پليمرهاي غير قطبي در اين محيط آبي به صورت امولسيون در ميآيند و نانو سلولز به صورت همگن در آب پخش ميشود . بعد از تبخير نانوسلولز ميتواند در پليمر پخش شود که پراکندگي در اين روش به خوبي انجام نميشود و در اين روش بيشتر از پليمرهاي نيمه قطبي استفاده ميشود (Favier و همکاران ، 1995).
استفاده از حلال هاي غير آبي :
در اين روش از حلال هاي آلي استفاده ميشود، به همين دليل پليمر غير قطبي پراکندگي بهتري دارند ولي نانو سلولز که ساختار آب دوست دارد نميتواند براحتي در اين محيط پخش شود. براي حل اين مشکل اصلاح شيميايي سطح نانو سلولز را براي کاهش انرژي سطحي و پراکنندگي بهتر پيشنهاد کردند. يکي از ويژيگيهاي نانو بلورسلولز که به روش هيدروليز اسيدي با استفاده از اسيد سولفوريک بدست ميآيد، نشستن گروههاي منفي سولفات بر روي گروههاي هيدروکسيل نانو بلورسلولز است که باعث پراکندگي بهتر اين ذرات ميشود نياز به اصلاح سطحي را کاهش ميدهد (Oksman و همکاران، 2006).
1-3-فناوری نانو1 چیست ؟
فناوري نانو عبارت است از روش ها، سيستم ها، ابزارها، مواد و فرايندهايي كه در مقياس نانو(〖10〗^(-9) متر) باشند.هدف علم و فناوري نانو دستيابي به توانايي كنترل ماده در ابعاد نانومتري و بهره برداري از خواص و پديده هاي حاصل از اين بعد در مواد به وسيله ابزارها و سيستم هاي نوين است, به عبارت ديگر فناوري نانو مطالعه ذرات در مقياس نانو براي كنترل خواص آن هاست.
از نظر مقياس، يك نانو متر برابر قطر 10 اتم هيدروژن و يا 5 اتم سيلسيم مي باشد. در مقالات و نوشته هاي عمومي واژه فناوري نانو گاهي به هر فرايند كوچك تر از اندازه هاي ميكرون اطلاق ميگردد. تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري هاي ديگر در مقياس مواد و ساختار هايي است كه مورد استفاده قرار ميگيرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلكه زماني كه اندازه مواد در اين مقياس قرار ميگيرد، خواص مكانيكي، نوري, الكتريكي و مغناطيسي مواد كاملا متفاوت خواهد بود. (Havancsak و همکاران ،2003)
امروزه فناوري نانو يكي از راههاي پيشرفت تكنولوژي و عاملي موثر در رشد اقتصادي كشورها شده است. با بهره گيري از اين تكنيك و از طريق كنترل ذرات در حد ابعاد نانو متر مي توان ذراتي با خواص شيميايي, مكانيكي،
نوري، الكتريكي و مغناطيسي بهتر توليد كرد. به طور خلاصه, فناوري نانو به عنوان علوم و مهندسي مواد شامل
طراحي, ساخت و كاربرد مواد و وسايلي كه حداقل يك بعد از آنها در حد نانو است, تعريف شده است. فعاليت و
عملكرد فناوري نانو به زمينه, فعاليت و يا سيستم خاصي محدود نميشود و مي توان اين فناوري را در تمام
علوم از جمله پزشكي, كشاورزي, علوم پايه, ژنتيك, هوافضا, الكترونيك, مواد و … به كار برد
1-1-3-استفاده از مواد لیگنوسلولزی در علوم و فناوری نانو
اساسا بسته به قابليت دسترسي به علم و فناوري مورد نظر، هر ماده اي قابل تهيه در ابعاد نانو است. اما بعضي از
مواد به طور طبيعي داراي ريز ساختاري در حد ابعاد نانو هستند كه يكي از اين مواد كه توسط طبيعت توليد ميشود، سلولز است. امروزه فناوري نانو فرصتي مناسب براي استفاده از مواد ليگنوسلولزي جهت توليد محصولات جديد است. طي چند سال اخير مطالعات و تحقيقات به منظور استفاده از منابع ليگنوسلولزي تجديدشونده به منظور توليد نانوسلولز به دلايل زير به شدت مورد توجه قرار گرفته است :
1- داراي مصارف غير غذايي هستند
2- به طور گسترده قابل دسترس هستند
3- داراي قيمت پايين هستند
4- داراي سطوح واكنش فعال براي اتصال گروههاي خاص هستند
5- به علت تخريب پذير بودن در طبيعت باعث كاهش بار آلودگي مي شوند (Favier و همکاران، 1995؛Dufresne و همکاران، 1999 ؛ Moon و همکاران ، 2006)
بر اساس نظر (Wegner و همکاران ، 2006) ، سلولز به دلايل زير داراي پتانسيل مناسبي جهت تهيه مواد نانو می باشد:
1- داراي ساختار ميكروفيبريلي در حد ابعاد نانو است
2- در طبيعت به طور گسترده يافت مي شود
3- بر خلاف مواد غير آلي مثل (فلزات) تجديد شونده است
4- عمل آوري و استفاده ازآن به دليل نرم و غير ساينده بودن راحت است
5- مصرف انرژي در فرايند توليدآن پايين است
6- داراي مقاومت و مدول كششي بالايي است
از موارد كاربرد نانوسلولز مي توان به استفاده در پوشش دهي كاغذ 2و توليد كاغذهاي با كيفيت بالا، در صنايع بسته بندي 3, توليد انواع نانو كامپوزيت ها (پليمرهاي تقويت شده با ذرات نانو)، در توليد مواد غذايي،آرايشي، لوازم پزشكي و كاربردهاي الكترونيكي نام برد .(Leino،2008)
1-4- سلولز
سلولز فراوانترين بسپار طبيعي و قابل تجديد در طبيعت است. برآورد مي شود كه ساليانه در حدود 100 بیلیون تن سلولز در طبيعت توليد مي شود . اين بسپار در دامنه وسيعي از گونه هاي موجودات زنده از قبيل گياهان, جانوران, باكتري ها و برخي آميبها ديده ميشود. در اغلب اين موجودات سلولز نقش استحكامي ايفا مي كند. سلولز به دليل خصوصيات فيزيكي و شيميايي جالب توجه , قابليت دسترسي و قيمت پايين آن, به طور وسيعي هم در حالت طبيعي آن و هم به عنوان ماده اوليه براي توليد كاغذ, صنايع غذايي و به عنوان افزودني در داروسازي مورد استفاده قرار مي گيرد. ميزان سلولز در بافت هاي مختلف گياهي از حدود 98 درصد در پنبه تا 40-50 درصد در چوب متفاوت است(Osullivan، 1997).
1-4-1-ساختار و مرفولوژی سلولز
سلولز يك بسپار همگن خطي است كه تكپار تشكيل دهنده آن 1-4-D-β گلوكوپيرانوز مي باشد (شکل 1-1) ملکولهای β گلوكز نسبت به يكديگر چرخش 180 درجه اي دارند. در حين برقراري اتصال بين دو مولكول β گلوكز ازOH متصل به كربن شماره 4 يك مولكول و OH كربن شماره 1 مولكول بعدي يك مولكول آب جدا مي شود و پل اكسيژني بين آنها برقرار مي شود. پيوستن دو مولكول β – گلوكز موجب تشكيل يك مولكول سلوبيوز مي شود. هر 5 مولكول سلوبيوز با آرايش فضايي مكعبي شكل، بلور سلولز را بوجود م يآورند و از مجموعه بلورهاي سلولز, رشته ابتدايي يا ميسل سلولز تشكيل مي شود.(Takashi،2007).
اين زنجير ها در طول سنتز به صورت ميكروفيبريل سازماندهي مي شوند. تعداد تكپار در هر زنجير يا درجه پليمريزاسيون (DP) بسته به گونه متفاوت است. در طبيعت زنجيرهاي سلولزي بسته به منشاء داراي درجه پليمريزاسيون گسترده اي در حد 1000 تا 30000 مي باشند كه طول زنجيره اي در حد 500 تا 1500 نانومتر را تشكيل مي دهند (Ioelovich ، 2008). به عنوان مثال درجه پليمرازسيون در سلولز چوب در حدود 6 تا 10هزار واحدگلوكوپيرانوز و در سلولز پنبه حدود 10 تا 15 هزار مي باشد. در مولكول سلولز امكان برقراري پيوندهاي هيدروژني نيز وجود دارد. سلولز داراي پيوندهاي هيدروژني درون و بين ملكولي است كه اين پيوند ها از چرخش آزاد زنجير هاي سلولزي جلوگيري مي كنند. به همين دليل بيشتر فيبرهاي سلولزي داراي مدول كششي بالايي هستند, به طوري كه ميكروفيبريل سلولز داراي مقاومت بيشتر از فولاد و سختي بيشتر از آلومنيوم مي باشد. مدول الاستيسيته و مقاومت كششي ميكروفيبريل سلولز به ترتيب 145 و 7500 مگاپاسكال گزارش شده است (Eichhorn و همکاران،2001)
شکل 1-4- ساختار ملكولي زنجيره سلولز(1) ، ساختار شماتيک سلولز در سلول چوبي (2)
همان گونه كه ذكر شد سلولز به دليل داشتن ساختارميكروفيبريلي در حد ابعاد نانو گزينه اي مناسب براي توليد همان گونه كه ذكر شد سلولز به دليل داشتن ساختارميكروفيبريلي در حد ابعاد نانو گزينه اي مناسب براي توليد 1-2 آورده شده است. هر فيبر سلولزي متشكل از دستجات فيبري است كه در اين دستجات فيبرها قطري حدود 35-25 ميكرون دارند. هر يك از اين دستجات نيز از ميكروفيبرهايي با قطر 1-1/0 ميكرون ساخته شده اند. هر ميكروفيبر نيز به نوبه خود از دستجات ميكروفيبريلي يا نانوفيبر ساخته شده است كه قطري حدود 70-10 10 نانومتر دارند. ميكروفيبريل ها از زنجيرهاي سلولزي (ميسل) ساخته شده اند كه اين زنجير ها با پيوند هيدروژني به هم متصل هستند. در نهايت فيبريل ها كوچكترين جزء ساختاري ديواره سلولي هستند كه در ساختار آنها مناطق كريستالين (منظم) و آمورف (نامنظم) تكرارشده اند. هر فيبريل از حدود 100 زنجير گلوكان تشكيل شده است. همانطوريكه در شكل 3-1 نشان داده شده است ميكروفيبريل هاي ديواره سلولي در قالبي 4از همي سلولز و ليگنين قرار دارند ( Wang و Sain ، 2007).
شکل 1-5- اجزا و ابعاد تقريبي ريزساختار الياف سلولزي ساقه گياهي
شکل 1-6- ميكروفيبريل هاي سلولزي احاطه شده در قالب ليگنين و همي سلولز
1-4-2- نانو ذرات سلولز و خواص آنها
ذراتي كه از سلولز در حد ابعاد نانو استخراج مي شوند مي توانند شامل نانوكريستال سلولز(NCC) 5و يا نانوفيبر (ميكروفيبريل سلولز) 6باشند. تفاوت نانو فيبر و نانوكريستال ناشي از وجود مناطق كريستالين و آمورف آنها است. نانوكريستال سلولز ذراتي در حد ابعاد نانو هستند كه مناطق آمورف آنها طي تيمار شيميايي حذف شده و منحصرا داراي مناطق كريستالين هستند, در حالي كه نانوفيبرها در ساختار خود علاوه بر مناطق كريستالين داراي مناطق آمورف نيز هستند و معمولأ توسط تيمارهاي شيميايي و مكانيكي تهيه مي شوند .
1-4-2-1- نانو فیبر
نانوفيبر ها به ذراتي در حد ابعاد نانو كه از سلولز مشتق شده و داراي مناطق كريستالين و آمورف هستند, اطلاق ميشود. تاكنون مطالعات زيادي بر روي استخراج آن ها از منابع مختلف سلولزي انجام شده است. فرايند جداسازي نانوفيبرها ممكن است شامل تيمار مكانيكي, مكانيكي- شيميايي و آنزيمي باشد. تيمار مكانيكي باعث جداسازي نانوفيبرها از ديواره سلولي مي شود ولي اين روش باعث تخريب سلولز و كاهش بازده مي گردد. در مقابل روش شيميايي- مكانيكي باعث استخراج نانوفيبرها از ديواره اوليه و ثانويه بدون تخريب سلولز مي شود نانوفيبرها به دليل داشتن ساختار كريستالي سلولز و پيوند هيدروژني زنجيرها, خواص مكانيكي فوق العادهاي از قبيل مدول الاستيسيته در حدود Gpa7 138 و مقاومت خمشی در حدود Gpa 3 3 دارند. اين مواد به دليل خواص مقاومتي بالا و فراواني به عنوان تقويت كننده در تركيبات مختلف پليمري مورد استفاده قرار مي گيرند (Zuluaga و همکاران ، 2009)
1-4-2-2- نانوكريستال سلولز
تاكنون از مواد ليگنوسلولزي متفاوتي به عنوان ماده اوليه براي توليد نانوكريستال سلولز استفاده شده است. بدين منظور اولين مرحله در توليد نانو كريستال سلولز حذف همي سلولز, ليگنين و تركيبات اضافي ديواره سلولي است. با توجه به اينكه سلولز در ساختار خود داراي مناطق كريستالين (منظم) و آمورف (نامنظم) است, بنابر اين تيمار شيميايي هيدروليز اسيدي روشي قابل قبول براي توليد نانوكريستال سلولز است كه براي اولين بار توسط Ranby در سال (1994) گزارش شد.
حالت بلوري نانو سلولز توسط هيدروليز اسيدي (Acidic Hydrolysis) فيبرهاي سلولزي طبيعي با استفاده از محلول هاي غليظ نمک معدني و اسيد سولفوريک و اسيد هيدروکلريک بدست مي آيد. به دليل خارج شدن بخشهاي آمورف توسط هيدروليز اسيدي نانو کريستال سلولز خواص خوبي (خواص مکانيکي بالا، سطح ويژه بالا، کريستاليته بالا و…) دارا ميباشد، اين ويژگيها نانو کريستال سلولز را مادهاي جالب براي بسياري از برنامه هاي کاربردي مي سازد. در صنايع کاغذ و مقوا از نانوسلولز به دليل اثر تقويتي قوي بر روي مواد کاغذ بهره مي برند. در صنايع غذايي، پزشکي، آرايشي و دارويي اين مواد به دليل مصرف در ابرجاذبهاي آب و فيلم هاي ضد باکتري کاربرد دارند، از جمله ديگر کاربرد هاي اين مواد مي توان به ساخت کامپوزيت ها، تجهيزات الکترونيکي، صنايع چوب و مواد ساختماني، بازيافت نفت (در شکست زنجيرههاي هيدروکربني) وخودروسازي اشاره کرد(Xhanari و همکاران،2011).
جدول1-1 انواع نانو سلولز (Klemm و همکاران، 2011)نانوسلولزمشابهمنابعروش توليدميکروفيبريل سلولز (MFC)نانو/ ميکروفيبريل و نانوسلولزفيبريل شدهچوب، چغندرقند، سيب زميني، کنف و کتانلايه لايه شدگي خمير چوب با فشار مکانيکي قبل و/يا بعد از فراوري شيميايي يا آنزيمي
قطر: 60-5 نانومتر و طول چند ميکرومترنانوکريستال سلولز
(NCC)ميکروسلولزهاي سلولز ميله مانند، کريستال منفرد کوچکچوب، پنبه، کتان، کاه گندم، پوست درخت توت، سلولز جلبک و باکتريهاهيدروليز اسيدي از منابع بسياري
قطر: 70-5 نانومتروطول:250-100 نانومتر(سلولزگياهي) و 100 نانومترتاچندميکرومتر(سلولزجلبک و باکتري)باکتريال نانوسلولز
(BNC)سلولز ميکروبي و بيوسلولزقندها و الکلهاي با وزن مولکولي پايينسنتز باکتريايي
قطر: 100-20 نانومترو با انواع شبکه‌هايمختلف نانواليافاهميت نانوکريستال سلولز از ديدگاه علمي به دليل کاربرد مواد خام تجديد پذير و دوستدار محيط زيست است که باعث حرکت حياتي توسعه نانوسلولزها در صنايع غذايي، نانوکامپوزيت ها و تجهيزات پزشکي شده است.
1-5 اهداف و ضرورت تحقيق
در سالهاي اخير، نگراني عمومي در مورد افزايش پسماندهاي پلاستيکي با منشا نفتي در محيط زيست افزايش يافته است. طبيعت نميتواند اين آلايندهها را تجزيه کند، اين امر موجب شده بسياري از کشورها اقدام به توليد پلاستيکهاي قابل تجزيه (زيستي) کنند. بر اساس يک تخمين بيش از 100 ميليون تن پلاستيک هر ساله توليد ميشود، که40 درصد از اين مقدار به محلهاي دفن زباله منتقل ميشوند و چند صد هزار تن نيز به محيطهاي دريايي ريخته ميشوند (Kalia و همکاران، 2000). علاوه بر موارد فوق، تحقيقات نشان ميدهدکه سالانه 270 ميليون تن نفت خام صرف توليد مواد پلاستيکي ميگردد. با توجه به افزايش قيمت نفت و غير قابل تجديد بودن اين منبع، نياز روز افزون به توليد پلاستيکهايي قابل تجزيه از منابع غير نفتي و بدون زيان براي محيط زيست احساس ميشود ( Sharmaو همکاران، 2007). از اين رو امروزه تقاضا براي پلاستيکهاي قابل تجزيه يکي از مهمترين اهداف براي تحقيقات پايه و کاربردي ميباشد. پلی(وینیل الکل) بزرگ ترين پليمر سنتزي قطبي توليد شده در دنيا از نظر فراواني است كه زيست تخريب پذيري در محيط زيست مهم ترين ويژگي آن است و پتانسيل بالايي براي جايگزيني پليمرهاي زيست تخريب ناپذير( پليپروپيلن و پلياتيلن) و کاربرد قابل توجهي در صنعت بسته بندي، داروسازي و پزشکي دارد. استفاده از مواد در مقياس نانو در ترکيب پليمرهاي مختلف با هدف بهبود ويژگيهاي آنها موضوع تحقيقاتي جذابي است که در دهههاي اخير توجه بسياري به خود جلب کرده است. نانوفیبر سلولز به دلیل دارا بودن خواص ویژه اي نظیر خواص مقاومتی بالا، تجدیدپذیري، زیستسازگاري و … مورد توجه محققان قرار گرفته است و داراي پتانسيل زيادي براي تقويت بايو کامپوزیت پلی(وینیل الکل) / نانو فیبر سلولز ميباشد. اين تحقيق با هدف بررسي ويژگيهاي مکانيکي و ریختشناسی فیلم پلی(وینیل الکل) / نانو فیبر سلولز ميباشد.
سوال تحقيق:
استفاده از درصدهاي مختلف نانو فیبر سلولز چه تاثيري بر ويژگيهاي مکانيکي و ریختشناسی پليونیلالکل با درجه هیدرولیز 98 درصد دارد؟
فصل2
مروري بر مطالعات انجام شده
مدائنی و همکاران، (1382)؛ مطالعه ای بر روی خواص ریخت شناسی و مکانیکی پلیوینیل الکل، اسید استیک و پلی-اتیلنگلیکول8 به روش رسوبگیری در اثر غوطهوری داشتهاند و گزارش کردهاند، اسید استیک در محلول پلیمر باعث بهبود قابل ملاحظه عملکرد غشا شده و کاهش ناخالصیها شده است. با افزایش غلظت اسید استیک در محلول پلیمر، میزان کاهش ناخالصیها و به عبارت دیگر نفوذپذیری غشا افزایش یافته است. از نظر خواص مکانیکی، وجود PEG باعث افزایش مقاومت مکانیکی غشا در برابر اعمال نیروهای پارگی و کششی شده است.
لیونبرگ و همکاران (2005) با ساختن نانوکامپوزيت‌های جديد حاصل از اختلاط نانوکريستال‌های سلولز و پلی‌پروپيلن‌اتکتيک، تاثير سطح و خصوصيات پخش شدن را بررسی کردند. در اين پژوهش، آن‌ها از سه نوع نانوکريستال سلولز با خصوصيات سطح مختلف؛ کلوخه‌شده بدون اصلاح سطح، کلوخه‌شده و پيوند زده‌شده با مالئيک پروپيلن و تيمار‌شده با سورفاکتانت، به‌عنوان فاز تقويت کننده در پلی‌پروپيلن‌اتکتيک استفاده کردند. فيلم قالب‌گيری شده در محلول تولوئن، بوسيله SEM ، DMAو آزمون کشش مورد بررسی قرارگرفت. مشخص شد که خصوصيات مکانيکی در دامنه خطی، در بالای Tg برای نانوکامپوزيت‌ها در مقايسه با پلی‌پروپيلن خالص افزايش چشمگيری داشت. اين اثرات به تشکيل شبکه محکم با برهمکنش پرکننده/ پرکننده نسبت داده شد. بعلاوه مشخص شد که بر همکنش‌های بين پرکننده و ماتريس و کيفيت پخش نقش اصلی را در مورد خصوصيات مکانيکی دامنه غير خطی بازی می کنند.
اکسمن و همکاران (2006) فرآيند ساخت نانوکامپوزيت‌های سلولز/ پلی لاکتيک اسيد را مورد بررسی قراردادند. اين پژوهشگران نانوکريستال‌های سلولز را با ماتريس پلی‌لاکتيک اسيد مخلوط کردند. آن‌ها ابتدا MCC را با N،-N دی‌متيل‌استاميد (DMAc) دارای کلريد ليتيم تيمار کردند تا ذرات ميکروکريستالين سلولز واکشيده شده و تا حدودی پخش شوند. سپس سوسپانسيون حاصل را به داخل پليمر مذاب در طی فرايند اکستروژن پمپ کردند. برای مطالعه خصوصيات نانوکامپوزيت حاصل، از تکنيک های مختلف ميکروسکپی، آناليز ترموگراويمتريک، تفرق اشعه X و تست‌های مکانيکی استفاده شد. نتايج نشان دادند که DMAc/LiCl می‌تواند به‌عنوان عامل واکشيده‌کننده/ جداسازنده برای MCC استفاده شود اما به نظر می رسد که باعث تخريب نانوکامپوزيت در دمای بالای فرآوری می‌شود. هنگامی‌که PEG به‌عنوان ماده افزودنی در فرآوری استفاده شد ساختار نانوکامپوزيت از نانوکريستال‌های تا حدودی پخش شده شکل گرفت. خصوصيات مکانيکی نانوکامپوزيت‌ها بهبود پيدا کرد و ازدياد طول در مرحله شکست در مقايسه با مواد مرجع 0800/0 کاهش نشان داد.
Liu و Tang، (2007)؛ اقدام به ساخت فیلم با استفاده از PVA واستات سلولز9 نمودند. در این پژوهش فیلم با نسبتهای PVA خالص، AC خالص و فیلم ساخته شده PVA\AC با درصد اختلاطهای مختلف تا 60 درصد AC ساخته شد. گزارش مقاومت مکانیکی نشان میدهد، با افزودن استات سلولز با درصدهای بیش از 40% مقاومت مکانیکی 50% و مدول یانگ بیش از 600% افزایش نموده است.
Roohani و همکاران، (2008)؛ خواص مکانیکی پلی وینیل الکل تقویت شده با نانو سلولز در پنج غلظت 0، 3،6،9و 12 درصد و چهار رطوبت 0، 35، 75و 98 درصد به روش ریختهگری قالبی را مورد مطالعه قرار دادند و گزارش کردند، افزایش رطوبت نسبی منجر به کاهش مدول کششی میشود در مقایسه با پلیونیلالکل خالص افزودن نانوکریستالسلولز موجب افزایش مدولکششی و تنشحدتسلیم شد. این افزایش در محدوده 0 تا 3% نانوکریستال بسیار چشمگیر است. همزمان با این افزایشها تغییرطولدرمرحله شکست نمونه ها از 5/29% برای پلیونیلالکل خالص به1/9% برای نانوکامپوزیت حاوي 12% نانوکریستال کاهش پیدا کرد .
Lu و همکاران، (2008)؛ خواص مکانیکی فیلم ساخته شده از نانو فیبر سلولز و پلیوینیل الکل به روش قالبگیری آنها به فیلم پلیوینیل الکل مقادیر 1، 5، 10، 15 درصد MFC اضافه کردند و گزارش کردند که مدول یانگ و مقاومت کششی فیلمهای ساخته شده با افزایش MFC به صورت قابل توجهی تا 10 درصد افزایش مییابد و با افزایش بیش از این مقدار مقاومتها تغییرات ناچیز دارند.
Majdzadeh و همکاران، (2010)؛ خواص مکانیکی فیلم حاصل از نشاسته و پلی وینیل الکل و نانو رس را مورد بررسی قرار دادند وبه این نتیجه رسیدند که خواص مکانیکی فیلم حاصل شده شامل مدول الاستیسیته و استحکام کششی با افزایش مقدار نانو رس از صفر درصد تا 40% همواره رو به افزایش است .
Hassan و همکاران(2010)، از درصد هاي مختلف (0-12) نانو سلولز براي تقويت لاستيک طبيعي10 استفاده کردند. نانو کامپوزيت تهيه شده مقاومت کششي و تغيير طول تا شکست را نسبت به پليمر خالص افزايش داد. البته با افزايش درصد نانو سلولز تا 10 درصد مقاومت کششي افزايش و بعد از آن کاهش مقاومت کششي گزارش شد.
نانو سلولز از هيدروليز اسيدي سلولز بدست مي آيد و بدليل خارج شدن بخش هاي آمورف داراي سطح ويژه ، ضريب لاغري و مقاومت ويژه بالا است. همچنين قابليت تجديد شوندگي، زيست تخريب پذيري، در دسترس بودن و فراواني در طبيعت اين نانو ذره را به عنوان گزينه مناسبي براي تقويت پليمرهاي مختلف مطرح کرده است (Rahimi و Behroz،2011).
Kazi و همکاران (2011)، نانو کامپوزيتي با استفاده از نانو سلولز / پلي لاکتيک اسيد با روش قالبريزي محلول تهيه کردند. آزمون کشش انجام شده بروي اين نانو کامپوزيت افزايش مقاومت کششي و مدول الاستيسته را نسبت به پليمر خالص پلي لاکتيک اسيد نشان داد و بيشترين مقدار مقاومت کششي اين نانو کامپوزيت در اختلاط 1 درصد نانو سلولز گزارش شد که 34 درصد بيشتر از پليمر خالص بود.
قنبر زاده و همکاران، (1391)؛ به منظور بهبود خواص فیزیکی کامپوزیت حاصل از نشاسته و پلی وینیل الکل مقادیر 1، 3، 5و 7 درصد نانو رس به فیلم اضافه کردند و گزارش کردند، در اندازهگیری مقدار حلالیت با توجه به کاهش مقدار کاهش درصد حلالیت از فیلم حاوی 1% نانو رس به 7% نانو رس تفاوت معنی داری مشاهده نشد، اما نفوذپذیری نسبت به بخار آب (WVP) این افزایش درصد نانو معنی دار بوده و در فیلم حاوی 5% نانو رس کمترین مقدار نفوذپذیزی مشاهده شده است.
قنبرزاده و همکاران، (1392)؛ به منظور بهبود خواص مکانیکی فیلم حاصل از پلیلاکتیک اسید، نانو فیبر سلولز به میزان 0،4 ،8و 12 درصد به پلی لاکتیک اسد اضافه کردند و خواص مکانیکی فیلم حاصل را اندازهگیری کردند. استحكام كششي نانوكامپوزيت ها با افزايش ميزان نانو فیبر سلولز افزايش يافت و فيلم دارای 12% نانو افزایش 27/131 درصدی داشت.مقدار مدول یانگ نیز افزایش یافت و نانوكامپوزيت حاوي 12% داراي حداكثر مقدار مدول یانگ بود، (Mpa 51/1019). كه حدود دو برابر بيشتر از مدول يانگ فيلم PLA خالص (Mpa 3/566) بود.
Ghanbarzadeh و همکاران، (2012)؛ به منظور بهبود خواص مکانیکی فیلم حاصل از نشاسته و پلی وینیل الکل مقادیر 1، 3، 5و 7 درصد نانو رس به فیلم اضافه کردند و گزارش کردند، استحکام کششی نهایی (UTS) در یک درصد نانو رس کاهش و بعد از آن استحکام کششی نهایی افزایش مییابد البته نانو رس در ازدیاد طول تا نقطه پارگی (SB) عکس عمل میکند و با افزایش نانو رس (SB) کاهش مییابد.
Zhang و همکاران (2012)، نانو کامپوزيتي با استفاده از پلي ونيل فلورايد و نانوکريستال سلولز تهيه کردند و ويژگي هاي مکانيکي آن را مورد بررسي قرار دادند، نتايج حاصل از اين بررسي افزايش مقاومت کششي و تغيير طول تا شکست را با افزايش درصد نانو سلولز تا 1/0 درصد و سپس کاهش را نشان داد.
قنبرزاده و همکاران، (1391)؛ به منظور بهبود خواص و مکانیکی کامپوزیت حاصل پلی وینیل الکل مقادیر 3، 5، 7، 10، 15و 20 درصد نانو کریستال سلولز به پلیونیلالکل اضافه کردند و خواص و مکانیکی فیلم حاصل را اندازهگیری کردند. آنها به این نتیجه رسدند که: با افزودن پلی ونیل الکل و نانو کریستال سلولز مقاومت مكانيكي فيلم ها نسبت به نمونه شاهد(پلیونیل الکل خالص) افزايش يافته و در نتيجه، منحني تنش كرنش به تنش هاي بالاتر منتقل مي شود. با افزایش مقدار نانو کریستال سلولز از 3 تا 10 درصد مقادیر UTS افزایش یافته است و بیشترین مقدار آن در 10 درصد نانوکریستال مشاهده شده است. با افزایش غلظت نانو کریستال سلولز از 3% به 10%، مقادیر UTS به ترتیب از 89/2 تا59/4 مگاپاسکال افزایش یافته است. این روند بهبود روی نقاط SB در غلظتهای 3 تا 7 درصد مشاهده شد ولی در غلظتهای 7 تا 20 درصد این مقدار نزولی و از کرنش از 1/71 به 67/40 کاهش یافته است.
قنبرزاده و همکاران، (1391)؛ به منظور بهبود خواص فیزیکی فیلم حاصل از کربوکسی متیل سلولز و پلی وینیل الکل مقادیر 0، 3، 5، 7و 10 درصد نانو رس به فیلم اضافه کردند آنها زاویه تماس را در زمان های 0 و 60 ثانیه اندازهگیری کردند و گزارش کردند، زاویه تماس اولیه فیلمهای بیوکامپوزیت به طور معنی داری با افزایش درصد نانو کاهش یافته است. به علاوه در صد كاهش زاوية تماس پس از60 ثانیه نيز با افزودن نانورس و افزايش مقدار نانورس در نانوكامپوزيتها، كاهش نشان داده است.
Chen و همکاران (2013)، نانو کامپوزيت جديدي با استفاده از نانو سلولز و لاستيک نيتريلي11 تهيه کردند و ويژگي هاي مکانيکي را در اين نانو کامپوزيت بررسي کردند. نتايج کار آنها افزايش مقاومت کششي و تغيير طول تا شکست اين نانو کامپوزيت با افزايش درصد نانو سلولز نسبت به رزين خالص نشان داد. البته مقاومت کششي تا استفاده از 10 درصد نانو سلولز افزايش و بعد از آن کاهش داشت.
Zhang و همکاران، (2013)؛ با استفاده از پلیمر پلیونیلالکل و نانو کریستال سلولز اقدام به ساخت کامپوزیت به روش قالبگیری تزریقی نمودهاند. گزارش نشان میدهد درصد استفاده از نانو کریستال 0، 1، 3، 5، 7و 10 درصد بوده است. مقاومت کششی چند سازهها با افزودن 7% نانو کریستال سلولز از 32 به 58 مگاپاسکال و مدول یانگ از 175 به 1252 مگاپاسکال افزایش داشته است.
Abdulkhani و همکاران، (2013)؛ با استفاده از روش ریختهگری قالبی اقدام به ساخت فیلم آلفا سلولز و پلیونیلالکل با حلال یونی کردهاند. با توجه به نتایج افزودن آلفا سلولز به پلیمر پلیونیلالکل موجب افزایش ویژگیهای مکانیکی فیلم ساخته شده گردیده است.
Liu و همکاران، (2013)؛ اقدام به ساخت فیلم با استفاده از PVA و نانو سلولز تهیه شده از روش سوپر آسیاب به درصدهای 0، 3، 5، 8، 10، 15، 40و 60 درصد نمودند و گزارش کردند PVA خالص با 164 درصد تغییر شکل (کرنش) بیشترین میزان کرنش را نشان میدهد در حالی که با افزودن 3% نانو تمامی ویژگیها 20 درصد نسبت به PVA خالص بهبود پیدا میکند. مقاومت کششی و مدول فیلمها با افزودن نانو تا میزان 60% از Mpa 7/55 به Mpa 6/1105 افزایش پیدا مینماید که نشان دهنده افزایش 2/6 برابر نسبت به PVA خالص است. این نشان دهنده مقاومت کششی و مدول یانگ بالاتر نانو کامپوزیت ساخته شده نسبت به PVA خالص است.
Peng و همکاران، (2014)؛ اقدام به ساخت فیلم با استفاده از PVA و نانو فیبریل کوتاه 12کردند به این منظور نانو سلولز با درصد 1، 2، 3و 6 درصد به PVA اضافه گردید. اضافه نمودن SCNF به PVA تدریجا موجب افزایش مقاومتسفتی و حتی سختی فیبریلها میگردد و مقاومت نهایی فیلم به جهت گیری کریستال PVA و میزان استفاده از SCNF دارد هر چند تاثیر نانوسلولز بیشتر است. با اضافه نمودن SCNF به PVA مقاومت کششی به طرز قابل ملاحظهای اقزایش یافته، گرچه بیشترین مقاومتها در نانو سلولز 3% مشاهده میگردد.
3- مواد و روشها:
3-1-مواد شیمیایی مورد استفاده
3-1-1-پلی ونیل الکل
پلی ونیل الکل مورد استفاده از شرکت Merck آلمان تهیه شد. مشخصات پلیمر در جدول 1-3 آورده شده است.
جدول1-1 انواع نانو سلولز (Klemm و همکاران، 2011)[C2H4O]nفرمول شیمیاییتصویر شیمیاییپودر بی رنگشکل ظاهریg/mol72000وزن ملکولیg/Cm^3 26/1وزن مخصوص≥98%درجه آبکافت°c200نقطه ذوبc°<113نقطه اشتعالc°228نقطه جوشآببهترین حلال
3-1-2- نانو فیبر سلولز
نانو فیبر سلولز در شرکت دانش بنیان نانو نوین پلیمر و به روش مکانیکی و با کمک دستگاه سوپر آسیاب13 مدل MKCA6-2(ساخت شرکت Masaku ژاپن) تهیه گردید. نانو فیبر سلولز با متوسط قطری 10±32 نانو متر از الیاف مخلوط سوزنی برگان تهیه گردید.
3-1-2-1-فرآیند ساخت نانو فیبر سلولز
خمیر آلفا سلولز سوزنی برگان(آلفا سلولز 99%) ابتدا با آب چند باري شسته شده و سپس در محلول هیدروکسید پتاسیم14 با غلظت 5 درصد و دماي 80 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت تیمار شد. بعد از تیمار قلیایی، سوسپانسیون با غلظت 1 درصد آلفا سلولز تهیه شده و از دستگاه آسیاب عبور داده شد. این عمل چندین بار تکرار شد و هر بار سنگها به یکدیگر نزدیکتر شد تا دو سنگ به هم چسبیده شدند تا نانوفیبر تهیه گردد. با هر بار تکرار و عبور سوسپانسیون از بین دو سنگ میکروفیبرهای سلولز به نانو فیبرهای سلولز تبدیل میشود. دستگاه آسیاب داراي دو سنگ آسیاب بوده که یکی ثابت و دیگري چرخان می باشد. در هنگام عبور الیاف از بین دو سنگ در اثر نیروهاي برشی و فشاري نانوفیبرهاي سلولزي تولید شدند. سوسپانسیون میکروفیبرها و نانوفیبرها در فرآیند فیلتراسیون خلاء و با فیلتر غشا تا غلظت 3%آب گیري شد. مقایسه متوسط قطري میکروفیبرها (10±33 میکرومتر) و نانوفیبرها (10±32 نانومتر) نشان داد که فرآیند آسیاب با کاهش 1200 برابر قطر، در تولید نانوفیبرها کاملاً کارآمد بوده است (یوسفی و همکاران، 1392).
شکل 1-3-دستگاه سوپر آسیاب MKCA6-2 ساخت ژاپن و سنگ مخصوص آن ساخته شده از کربید سیلیسیم(یوسفی و همکاران، 1391)
شکل



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید