فهرست نشریات علمی دسترسی آزاد ایران

بیان مساله و اهداف: نانو الیاف سلولزی (CNF) به‌عنوان یکی از مواد نوین و زیست‌پایه با ویژگی‌های برجسته مکانیکی، نوری و محیط­زیستی نقش مؤثری در توسعه محصولات نوآورانه در صنایع بسته‌بندی، نانو کامپوزیت‌ها و کاغذهای عملکردی ایفا می‌کنند. با این حال، تولید صنعتی CNF با موانعی مانند مصرف بالای انرژی و هزینه‌بر بودن فرآیندهای آماده‌سازی از جمله رنگ‌بری و پالایش همراه می­باشد. از سوی دیگر، استفاده از منابع لیگنوسلولزی غیرچوبی مانند کاه گندم، به‌عنوان ماده‌ای ارزان، فراوان و تجدیدپذیر، می‌تواند راهکاری مؤثر برای کاهش هزینه‌های تولید، بهبود کارایی فرآیند و سازگاری محیط زیستی باشد. پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر مصرف انرژی در دو مرحله‌ی کلیدی پالایش مکانیکی (ریفاینر) و میکروفلویدایزر (فیبریلاسیون نهایی) بر ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی CNF حاصل از کاه گندم انجام شده است. همچنین این مطالعه به دنبال یافتن شرایط بهینه مصرف انرژی جهت تولید نانو الیاف با عملکرد بالا و حذف نیاز به مراحل رنگ‌بری در فرآیندهای صنعتی می­باشد. مواد و روشها: در این پژوهش، فرآیند خمیر سازی به روش سودا با شرایط مشخصی انجام گرفت؛ به‌طوری‌که میزان قلیایی‌ات محلول پخت ۱۶ درصد، مدت‌زمان پخت ۳۰ دقیقه، دمای پخت ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد و نسبت مایع پخت به کاه گندم ۳:۱ در نظر گرفته شد. خمیر حاصل بدون انجام عملیات رنگ‌بری، مستقیماً وارد مرحله پالایش مکانیکی شد. این فرآیند با استفاده از دستگاه دیسک ریفاینر در چهار سطح انرژی شامل 130، 170، 250 و kWh/t 500 انجام گردید تا تأثیر شدت پالایش بر آماده‌سازی الیاف برای میکروفیبریلاسیون بررسی شود. در گام بعد، نمونه‌های پالایش‌شده در شش سطح عبور از دستگاه میکروفلویدایزر (۱ تا ۶ مرحله عبور متوالی) تحت فرآیند فیبریلاسیون نهایی قرار گرفتند تا نانو الیاف سلولزی تولید شود. در نهایت ویژگی‌های مکانیکی شامل شاخص کشش، ترکیدن و طول پارگی و نیز ویژگی‌های فیزیکی و نوری شامل ضخامت، زبری سطح، دانسیته و شفافیت نمونه‌های CNF ارزیابی شد. تمامی آزمون‌ها بر اساس استانداردهای ISO و TAPPI انجام گردید. نتایج: نتایج نشان داد که افزایش مصرف انرژی تا یک نقطه‌ی بهینه منجر به بهبود قابل‌توجه در خواص مکانیکی CNF می‌شود. تیماری که در آن از انرژی kWh/t 170 در پالایش و kWh/t 258 در میکروفلویدایزر استفاده شده بود، عملکرد بهینه‌ای از خود نشان داد. در این شرایط، شاخص کشش به N.m/g 5/113 و طول پارگی به km 5/11 رسید که نسبت به نمونه شاهد، بهبودی بیش از 220 درصد را نشان می‌دهد. همچنین در این شرایط، نمونه‌ها دارای ضخامت کمتر، دانسیته بیشتر، زبری کم‌تر و شفافیت بهتری بودند که بیانگر ساختار یکنواخت‌تر، توزیع مناسب نانو الیاف و پیوندهای بین‌الیافی قوی‌تر می­باشد. در مقابل، افزایش بیش‌ازحد انرژی مصرفی در میکروفلویدایزر نه‌تنها به بهبود بیشتر منجر نشد بلکه در برخی موارد باعث افت خواص مکانیکی شد که احتمالاً ناشی از تخریب ساختار الیاف در اثر اعمال انرژی بیش‌ازحد بوده است. نتیجه­ گیری: بررسی نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که تولید CNF با کیفیت بیشتر از خمیر غیررنگبری‌شده کاه گندم و بدون نیاز به حذف لیگنین، امکان‌پذیر می­باشد. حذف مرحله رنگ‌بری نه‌تنها موجب کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های تولید می‌شود، بلکه با حفظ ترکیبات ساختاری الیاف، عملکرد مکانیکی CNF را نیز تقویت می‌کند. همچنین طراحی دقیق میزان انرژی مصرفی در هر مرحله، عاملی کلیدی در بهینه‌سازی خواص نهایی محصول به شمار می‌رود. یافته‌های این مطالعه می‌تواند به‌عنوان مبنایی برای توسعه فرآیندهای صنعتی تولید از منابع غیرچوبی با رویکرد پایدار و مقرون‌به‌صرفه مورد استفاده قرار گیرد.