ارزيابي ميكرو و نانو فيبرليگنوسلولز تهيه شده از الياف خميركاغذ كارتن كنگره اي كهنه (OCC) با روش سوپر آسياب ديسكي

Evaluation of micro and nano-fibers produced from old corrugated container (OCC) fibers by super disk grinding method

سابقه و هدف: نانوسلولز و نانوليگنوسلولز به عنوان فراوان‌ترين نانوپليمرهاي زيستي در دهه اخير توجه محققان رشته‌هاي مختلف را به خود جلب كرده است. روش سوپرآسياب ديسكي خواص برجسته‌اي همچون سادگي، سرعت و راندمان زياد توليد و تك مرحله‌اي بودن را دارا است. اين خواص، برتري‌هاي ويژه‌اي در مقابل ساير روش‌هاي بالا به پايين توليد نانوسلولز دارد. مواد و روش‌ها: در اين مطالعه، الياف خمير كارتن كنگره‌اي كهنه (OCC) با فرآيند سريع، ساده و تك‌مرحله‌اي سوپر آسياب ديسكي به نانوفيبرهاي ليگنوسلولزي تبديل شدند. خواص فيبرهاي ليگنوسلولزي شامل ويژگي‌هاي ريخت‌شناسي (قطر و توزيع قطري) با ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميدان (FE-SEM)، آناليز عنصري توسط روش اسپكتروسكپي پراش انرژي اشعه ايكس (EDX/EDS)، گرما وزن‌سنجي (TGA)، پايداري سوسپانسيون و نفوذپذيري به هوا در دو مقياس ميكرو و نانو مورد مطالعه قرار گرفت. يافته‌ها: مقايسه متوسط قطري ميكروليگنوسلولز (10±37 ميكرومتر) و نانوليگنوسلولز (10±66 نانومتر) نشان داد كه فرآيند آسياب با كاهش قطر، در توليد نانوليگنوسلولز داراي عملكرد مطلوبي بوده است. بر خلاف ته‌نشيني سوسپانسيون خمير اوليه (ميكروفيبر) پس از 2 دقيقه، سوسپانسيون نانوفيبر كاملاً پايدار بوده است. مقدار نفوذپذيري به هوا در فيلم ميكروليگنوسلولز (42/6 ميكرومتر بر پاسكال در ثانيه) بسيار بيش‌تر از نفوذپذيري فيلم نانوليگنوسلولز (1/06 ميكرومتر بر پاسكال در ثانيه) بوده كه نشان مي‌دهد با كوچك‌سازي ابعاد سلولز از مقياس ميكرو به نانو، سطح ويژه و پيوند افزايش يافته و ساختار فيلم به‌دست آمده يكنواختي بيش‌تر و تخلخل كم‌تري دارد. نتيجه‌‌گيري: به‌طور كلي نتايج اين تحقيق حاكي از موفق بودن توليد ميكرو و نانوليگنوسلولز و فيلم آن از خمير كارتن كنگره-اي كهنه (OCC) است. توليد نانوليگنوسلولز و بررسي پتانسيل‌هاي آن در مقابل توليد نانوسلولز (عاري از ليگنين و همي-سلولزها) مي‌تواند سبب مزاياي متعدد كاربردي و صنعتي براي تجاري‌سازي بيشتر اين فراورده با ارزش افزوده زياد گردد.

Background and Objectives: Cellulose Nano-fiber (CNF) and lignocellulose Nano-fiber (LCNF) are the most abundant bio-Nano-polymers that attracted much attention in researches and applications during recent decades. Super disk grinding method has prominent characteristics compared to the other methods such as simplicity, high speed, and high yield of production and owning single-stage process. Materials and Methods: In this study, old corrugated container (OCC) was converted to lignocellulose microfibers (LCMF) and LCNF. LCNF was produced with ultra-fine friction grinding process, as a simple, fast and one-step downsizing method. The objective of this study was to investigate the grinding method on morphological characteristics (fiber diameter and distribution) with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDX/EDS) analysis, thermal gravimetric analysis (TGA), suspension stability and air permeability of papers made from LCMF and LCNF. Results: The average diameter of LCMF and LCNF obtained was 47±10 µm and 69±10 nm, respectively. The EDX/EDS analysis showed that the LCMF and LCNF contain substantial amounts of organic matter (predominantly C, N and O). The results of TGA showed that most of weight losses of LCMF and LCNF are among 250-350 ˚C, which related to main components (cellulose, hemicellulose and lignin) degradation. The suspension of LCMF was unstable over checking stability time (after 2 min.), while the LCNF suspension had a long-term stability. The air-permeability of LCMF and LCNF papers was 25.6 and 1.06 µmPa-1s-1, respectively. With downsizing lignocellulose fibers from micro to Nano scale, specific surface and bonding area increased and higher uniformity and lower porosity obtained. Conclusions: In general, the results of this study showed that the production of LCNF and its paper from OCC pulp were succeeded. Further investigations on the production of LCNF and evaluation its potential to produce different products compared to CNF pure (free of lignin and hemicelluloses) can bring many practical and industrial benefits (conservation of the environment and the lack of use of bleaching sequences) to further commercialization of this value-added product.