شکل 1- ساختار شفاف ژل نانو سلولز [2]
1-1- تاریخچه:
1. اولین بار اصطلاح میکروفیبر (میکروالیاف) نانوسلولز توسط توربک (Turbak)، سنایدر (Synder) وسندبرگ (Sendberg) در اواخر دهه 1970 به کار گرفته شد. این ترکیب ژل مانندی بود که از خمیرچوب در دمای بالا و فشار زیاد ایجاد می شد. اصطلاحMFC (Microfibrillated Cellulose) برای اولین بار در اوایل دهه 1980 ظهور کرد، و تعدادی از اختراعات ثبت شده روی این ترکیب نانو سلولزی جدید به نام ریونیر(Rayonier) معرفی گردید. در کار های بعد، هریک (Herrick) پودر خشک این ژل را تهیه کردند [3]. توربک و همکارانش کاربرد های جدیدی برای MFC/Nanocellulose یافتند. از این جمله می توان به استفاده از این ترکیبات به عنوان عوامل تغلیظ کننده و چسبناک کننده در صنایع غذایی، لوازم آرایشی، فرآیندهای تولید کاغذ، منسوجات و الیاف نبافته اشاره کرد.
تحقیقات بر روی میکرو/نانو الیاف های سلولزی (NFC/MFC)(Nanofibrillated Cellulose) و نانو بلور های سلولز از سال 2000 افزایش یافت که از جمله این تحقیقات می توان به نمونه های زیر اشاره کرد:
• کامپوزیت های شفاف NFC توسط نوگی (Nogi) در سال 2005
• صفحه هایی در قالب آهن توسط برگ لند (Berglund) در سال 2008
• صفحه های شفاف NFC توسط یانو (Yano) در سال 2009
شکل 2 به اختصار بیانگر تاریخچه است:
شکل 2- تاریخچه تولید و ساخت انواع نانو سلولز [4]
1-2- ساختار و خواص نانو سلولز:
سلولز یک هوموپلیمر خطی (دارای مونومرهای مشابه) از واحد های β-D-گلیکوپیرانوزی که با پیوند های گلیکوزیدی (1 به4)از طریق نیرو های وان دروالس و پیوند های هیدروژنی درون و برون مولکولی به یکدیگر متصل شده اند. طول یک مولکول سلولز طبیعی حداقل 5000 نانومتر است و مربوط به زنجیره ای دارای حدود 10000 واحد گلیکوپیرانوزی است.
شکل 3- سلولز از دیواره سلولی گیاه تا پیوند های گلیکوزیدی [5]
در سلول چوبی یک گیاه، زنجیره سلولز خطی به عنوان میکروفیبریل در حدود 35 نانومتر به صورت ابعاد متقاطع و دارای دو ناحیه بلوری و آمورف است (شکل 4)[6].
شکل 4- ترکیب دیواره سلول چوبی و میکروفیبریل های سلولزی شامل مناطق کریستالی و آمورفی: W: دبواره برجسته، S: دیواره دومی سلولی، P: دیواره اولیه سلولی، ML: لاملای میانی(Middle Lamell) از [6]
1-2-1-انواع نانو سلولز
نانوسلولز ها بر اساس ابعاد، عملکرد و روش تهیه که به نوبه خود وابسته به منابع سلولزی وشرایط تولید است، عمدتاً در سه شاخه طبقه بندی می شوند [1]:
جدول 1- انواع نانو سلولز[1]
شکل 5- انواع نانوسلولز a)MFC و b)NCC وc)BNC از [1]
هر یک از خصوصیات ترکیبات نانو سلولزی توسط روش های دستگاهی خاص مورد مطالعه قرار می گیرد که در زیر آورده شده است:
1. قطر: AFM (Atomic Force Microscopy) / TEM (Transmission Electron Microscopy) SEM (Scanning Electron Microscopy)
2. طول: الکترون میکروسکوپ / Rheology
3. خواص سطح: IR (Infrared Spectroscopy) / NMR(Nuclear Magnetic Resonance) و تیتراسیون
4. سطح مقطع: BET
5. تبلور: WAXS(Wide Angle X-ray Scattering)
خواصی از این ترکیبات همچون ویسکوزیته بالا و سختی سلولز بلوری (220-140 گیگاپاسکال) نیز مورد بررسی قرار گرفته است. الیاف نانوسلولزی به عنوان جایگزین برای کولار (Kevlar) و الیاف شیشه ای جهت تقویت پلاستیک معرفی شده اند. فیلم های متشکل از الیاف نانوسلولز، سدّی نفوذناپذیر در برابر یون ها ایجاد می نمایند. همچنین خصوصیات ترکیبات می تواند با اضافه نمودن افزودنی ها تغییر یابد که مواردی در جدول 2 آورده شده است:
جدول 2- مواد افزودنی به نانو سلولز و عملکرد آن ها[7]
2- روش های تهیه:
به طور کلی فیبر های نانو سلولزی از پیش ماده های چوبی با استفاده از یک ماده همگن کننده (Hemogenizer) در فشار بالا تهیه می شود. این فرآیند منجر به ورقه ورقه شدن دیواره های سلولی الیاف ها گیاهی شده و فیبریل های سلولزی نانوساختار به صورت مجزا به دست می آیند.
حالت بلوری نانو سلولز توسط هیدرولیز اسیدی (Acidic Hydrolysis) فیبر های سلولزی طبیعی با استفاده از محلول های غلیظ نمک معدنی و اسید سولفوریک و اسید هیدروکلریک بدست می آید. حالت آمورف سلولز طبیعی نیز از محصول هیدرولیز شده، پس از زمان بندی دقیق و جداسازی از بخش های بلوری و مزاحل شستشو قابل استحصال است [8].
در شکل 6 خلاصه ای از روش تهیه نشان داده شده است:
شکل 6- خلاصه ای از روش تهیه [9]
روش های تهیه نانوسلولزها به تفصیل در جدول 3 بیان شده است [10]:
جدول 3 - انواع روش های تهیه [11]
3- کاربرد ها:
خواص نانوسلولز (مانند خواص مکانیکی، خواص لایه نازک، ویسکوزیته و غیره) آن را ماده ای جالب برای بسیاری از برنامه های کاربردی می سازد [11]. در صنایع کاغذ و مقوا از نانوسلولز به دلیل اثر تقویتی قوی بر روی مواد کاغذ بهره می برند. در صنایع غذایی، پزشکی، آرایشی و دارویی این مواد به دلیل مصرف در ابرجاذب های آب و فیلم های ضد باکتری کاربرد دارند. از جمله دیگر کاربرد های این مواد می توان به ساخت کامپوزیت ها، تجهیزات الکترونیکی، صنایع چوب و مواد ساختمانی، بازیافت نفت (در شکست زنجیره های هیدروکربنی) و خودروسازی اشاره کرد.
جدول 4- کاربرد ها [11]
4- بحث و نتیجه گیری:
نانوسلولز به عنوان یکی از نانو مواد جدید با قابلیت های بالا همچون پایداری مناسب، عامل دار شدن شیمیایی و کنترل بر هم کنش های سطحی، سطح بالا و ... بسیار قابل توجه است و کاربردهای متعدد و قابل دسترسی پیدا کرده است.
اهمیّت این دست از مواد از دیدگاه علمی به دلیل کاربرد مواد خام تجدید پذیر و دوستدار محیط زیست است که باعث حرکت حیاتی توسعه نانوسلولز ها در صنایع غذایی، نانوکامپوزیت ها و تجهیزات پزشکی شده است.