توليد و ارزيابي نانو كاغذ از لينتر پنبه به روش انحلال جزئي

Production and evaluation of Nano-paper from cotton linter by partial dissolution method

سابقه و هدف: استفاده از سلولز و محصولات سلولزي در توليد تركيبات زيستي در مقياس نانو به علت مقاومت زياد، وزن كم و زيست تخريب پذيري مورد مطالعه فراواني قرار گرفته است. نانوساختارها از طريق روش‌هاي بالا به پايين يا پايين به بالا بدست مي‌آيند. در اين مطالعه، روش بالا به پايين انحلال جزئي، به عنوان يك روش ساده و سريع، جهت توليد نانوسلولز مورد استفاده قرار گرفت. با كنترل شرايط انحلال نظير زمان و حلال، ارتباط و اتصال جانبي نانوفيبريل‌هاي مجاور را كه از طريق پيوندهاي هيدروژني تأمين مي‌شود، قطع و به طور جزئي زنجيرهاي بيروني نانوفيبريل را حل مي‌نمايد. با توقف واكنش انحلال جزئي و خروج حلال نانوفيبريل‌هايي كه به طور جزئي انحلال پيدا كردند به همديگر جوش خورده و فيلمي تشكيل مي‌گردد كه چون كاملا از نانوفيبريل‌هاي سلولزي و سلولز آمورف تشكيل شده است به آن نانوكاغذ اطلاق مي‌گردد تحقيق حاضر به بررسي ويژگي‌هاي اين محصول نانوكاغذي كاملا زيست سازگار حاصل از الياف لينتر پنبه با روش انحلال جزيي مي‌پردازد. مواد و روش‌ها: خالص‌سازي الياف لينتر پنبه طي سه مرحله‌ي پنوماتيكي، شستشو با آب داغ و پخت شيميايي با هيدروكسيد سديم انجام شد. از خمير كاغذ حاصل مطابق با استاندارد TAPPIكاغذهاي دست ساز ساخته شد. انحلال جزئي كاغذهاي محتوي آلفا سلولز زياد، در حلال دي متيل استاميدي/ 9 درصد ليتيم كلريد (DMAc/LiCL) انجام شد و از ژل حاصل با پرس و خشك كردن، فيلم سلولزي شفاف بدست آمد. به منظور ارزيابي خواص ريخت شناسي، ساختار بلورين، خواص مكانيكي و حرارتي به ترتيب از ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميدان، پراش پرتو ايكس، آزمونگر خواص مكانيكي و تحليل‌گر وزن سنجي گرمايي استفاده شد. يافته‌ها: قطر نانوفيبريل‌هاي حل نشده با مطالعات ميكروسكوپ الكتروني در حدود 60-66 نانومتر اندازه‌گيري شد. ريزنگارهاي الكتروني، يكنواختي بافت نانوكاغذ را نسبت به كاغذ معمولي نشان داد. شفافيت بصري (پشت نمايي) نانو كاغذ به علت آزادسازي نانو ساختارهاي سلولزي، يكپارچه شدن بافت، افزايش دانسيته و كاهش ناهمواري سطح و افزايش سطوح عبور نور قابل ملاحظه بود. نتايج خواص مكانيكي نشان داد كه نانو كاغذ تنش كششي زيادتري را نسبت به كاغذ معمولي داشت. تنش كششي براي كاغذ و نانوكاغذ بترتيب 8.02 و 27.28 (MPa) و مدول الاستيسيته كششي 0.483 و 0.649 (GPa) بدست آمد. الگوي پراش پرتو ايكس كاغذ معمولي، با سلولز نوع اول (I) مطابقت داشت. در اثر انحلال جزئي زنجيرهاي بيروني سلولزي نانوفيبريل‌ها در محيط حلال به طور نسبي آزاد شده و در اثر خروج حلال مجدد بازآرايي زنجيرها اتفاق افتاد. در بازآرايي مجدد بخش‌هايي به صورت بلورهاي سلولز نوع دوم درآمده و نيز مقدار سلولز آمورف نيز افزايش مي‌يابد. لذا در فرآيند انحلال جزئي و جامدشدن مجدد، نوع سلولز تغيير مي‌كند. با بررسي اطلاعات پراش پرتو ايكس، پيك مرتبط با سلولز نوع دوم (II) و افزايش فاز آمورف در نانوكاغذ مشاهده شد، درجه بلورينگي كاغذ و نانوكاغذ به‌ ترتيب از 84.9 به 54.89 درصد محاسبه شد. اندازه نانو بلورهاي سلولزي در كاغذ 6.44 نانومتر و در نانوكاغذ 2.55 نانومتر بدست آمد. نتايج بررسي پايداري حرارتي نشان داد كه نانوكاغذ پايداري حرارتي كمتري نسبت به كاغذ معمولي داشت. نتيجه‌گيري: در ساختار نانوكاغذ، سلولز نوع βI حل نشده (نانو فيبريل‌هاي حل نشده) فاز تقويت‌كننده و سلولز نوع دوم (II) و نواحي بي‌شكل فاز زمينه را تشكيل مي‌دهد. انحلال جزئي، بخشي از بلور‌ها را تخريب مي‌كند و با خروج حلال و سخت‌شدن مجدد، بخشي از زنجيرهاي ناحيه بي‌شكل بازآرايي پيدا مي‌كنند و به بلور‌هاي سلولز II تبديل مي‌شوند در نهايت با ايجاد نانو ساختار يكنواخت، محصول مقاوم و با قابليت پشت‌نمايي حاصل مي‌شود. كاهش بلورينگي سلولز بر اثر انحلال منجر به افت پايداري حرارتي نانوكاغذ نسبت به كاغذ معمولي مي‌شود.

Background and objectives: The use of cellulose at nanoscale has been greatly studied for the production of biological compounds due to its high strength, low weight and biodegradability. Nanostructures are synthesized through two mechanisms including top-down and bottom-up approaches. In this study, top-down partial dissolution was used as a simple and fast technique to produce nano cellulose. By controlling dissolution parameters such as time, the solvent interrupts the adjacent nanofibrils linking which is supplied through hydrogen bonds, and solves partially outer chains of nanofibril. During solvent rinsing, the partially dissolved chains resolidified and welded each other, making consolidated structure in which the main components are undissolved native nanofibrils surrounded by cellulose type II and non-crystalline cellulose. Because of this, the final film was named Nano-paper. This study considers the characteristics of fully biocompatible Nano-paper directly produced from cotton linter fibers by partial dissolution method. Materials and Methods: Refining the cotton linter fibers was done in three steps; pneumatic, washing with hot water followed by treating with sodium hydroxide. The handsheets were made by TAPPI standard method. The partial dissolutions of papers with high content of alpha cellulose were done in the solvent N, N-dimethyl acetamide/ 9% lithium chloride (DMAC/LiCl) and translucent cellulose Nano-paper was obtained through pressing and drying the resulting gel. To evaluate the properties of the Nano-paper, field emission scanning electron microscopy, X-ray diffraction, mechanical properties and thermal gravimetric analysis were used. Results: The diameter of undissolved nanofibrils in Nano-paper fell between 60 and 66 nm. Electron micrographs showed that Nano-paper had more uniformity than paper. Visual transparency (back view) of Nano-paper was significant due to the liberalization of cellulose nanostructures, the increase of uniformity and density, the loss of surface roughness and the increase of light transmission. The results of tensile properties showed that the Nano-paper tensile stress was higher than that of paper. Paper and Nano-paper tensile stresses were 8.02 and 27.28 MPa, respectively and tensile modulus elasticities were 0.483 and 0.649 GPa, respectively. X-ray diffraction (XRD) of paper matched cellulose type I. During partial dissolution/re-solidification cellulose type II was appeared and non-crystalline phase increased judging from XRD data. The crystallinity degree of paper and Nano-paper were measured 84.9 and 54.89%, respectively. The crystallite size of paper and Nano-paper obtained 6.44 and 2.55 nm, respectively. The thermal stability of Nano-paper was less than that of paper. Conclusions: In Nano-paper structure, undesolved cellulose type Iβ (undesolved nanofibrils) played reinforcing a phase role, and cellulose type II and the amorphous cellulose formed the matrix phase. Partial dissolution destroyed part of the crystals and after solvent rinsing and re-solidification, some parts of the amorphous chains were rearranged to form crystals of cellulose type II. Finally, a tough translucent Nano-paper was produced by creating consolidated nano structures. The reduction of cellulose crystallinity in Nano-paper resulted in the loss of thermal stability in Nano-paper.