بیو کامپوزیتهای نوین استحکام بالا، بر پایه ی سلولز میکروفیبریلی شدۀ

دارای ساختاری با واحدهای شبکه ای در مقیاس نانو

   سطح مخاطبین این مطلب: کارشناسی ارشد

- ترجمه مقاله ای تحت عنوان :

Novel high-strength biocomposites based

on microfibrillated cellulose having

Nano-order-unit web-like network structure

Wood Research Institute, Kyoto University, Gokasho, Uji, Kyoto 611-0011, Japan

a.n. nakagaito

h. yano_

منتشر شده در:

Applied Physics Ahttp://iranwood.fay.ir

Materials Science & Processinghttp://iranwood.fay.ir

Appl. Phys. A 80, 155–159 (2005)http://iranwood.fay.ir

· چکیده: http://iranwood.fay.ir

در این مطالعه، نوع کاملا جدیدی از کامپوزیتهای استحکام بالا با استفاده از سلولز میکروفیبریلی شده (MFC )، فراهم شده از خمیر کرافت ساخته شد؛ به دلیل ساختار یکنواخت و منظم در هم فرورفته میکروفیبریلهای در مقیاس نانو، الیاف، حجیم شده و سطح ویژه آنها به شدت افزایش می یابد - که این مشخصه ویژه MFC است - تولید کامپوزیت با رفتار مقاومتی بسیار بالا ازآنها امکان پذیر است.

مدول یانگ (E) و مقاومت خمشی (bσ) کامپوزیت با استفاده از رزینهای فنولیک به عنوان پیوند دهنده در دانسیتهgr/cm³ 1.45 به ترتیب مقادیری بالغ بر GPa19 و MPa370 به دست آمد که نمایش برجسته ای از ارائه خواص مکانیکی توسط یک کامپوزیت بر پایه الیاف گیاهی به شمار می رود. http://iranwood.fay.ir

1. مقدمه:http://iranwood.fay.ir

حفاظت از محیط زیست و منابع پایدار در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است ؛ به شکلی که استفاده ازالیاف طبیعی ، به عنوان جایگزینی برای منابع غیر قابل تجدید درعلم تکنولوژی مواد، توجهات را به سمت خود معطوف کرده است . الیاف طبیعی ، به عنوان فراوانترین ماده بیوماس(زیست توده ای) در زمین ، لوله هایی تو خالی حاوی سلولزند که در ملاتی از لیگنین و همی سلولز قرار گرفته اند (شکل 1).http://iranwood.fay.ir

بیشتر مواد دیواره سلول در لایه S2 قرار دارد، که شامل شبکه ای از الیاف به صورت هلیکالی(نردبانی) قرار گرفته اند؛ میکرو فیبریل ها با ابعاد در حد نانو(3.5 *10نانو متر) شامل رشته های سلولزند که در جهت محور میکرو فیبریل توجیه یافته اند. میکرو فیبریل ها به واسطه عیوب کمتر می توانند به عنوان یک رشته پلیمر سلولز در نظر گرفته شوند که دارای MOE=150 GPa وMOR=10 GPa هستند ، مقاومت الیاف بیشتر توسط زاویه آنها با محور طولی ساول کنترل می شود. مقاومت کششی الیاف حاصل از خمیر کرافت با الیاف با زاویه یک درجه برابر GPa1.7 است .http://iranwood.fay.ir

در اوایل دهه 80 میلادی شکل جدیدی از سلولز توسعه یافت که MFC ) = سلولز میکرو فیبریلی شده ( نامیده شد. این مواد شکلی جدید از سلولز ند که در آنها حجم ویژه افزایش یافته و سلولز کمی تخریب شده است ولی سطح آن افزایش می یافت که از طریق روش همگن سازی به دست می آمد. این ماده جدید در صنایع غذایی، آرایشی و پزشکی کاربرد یافت.http://iranwood.fay.ir

تا کنون هیج تلاشی برای کاربرد MFC در تولید کامپوزیتها به عمل نیامده است. MFC به واسطه ساختار منحصر به فرد خود می تواند در تقویت کامپوزیتها نقشی مهم ایفا نماید.http://iranwood.fay.ir

این ایده باعث شد که بررسی امکان تولید کامپوزیت از الیاف کرافت با استحکام بالا با استفاده از MFC هدف این مطالعه قرار بگیرد. مقاومت این کامپوزیت با شمش منیزیم که در صنایع الکترونیک کاربرد های زیادی دارد برابری می کند.

2. روش آزمایشhttp://iranwood.fay.ir

2.1 سلولز میکرو فیبریلی شده http://iranwood.fay.ir

MFC به وسیله شرکت شیمیایی DAICEL با استفاده از پروسه همگن سازی روی خمیر کرافت (شامل 50 درصد کاج، 40 درصد اسپروس و 10 درصد دوگلاس) فراهم شد.http://iranwood.fay.ir

ابتدا خمیر با غلظت 3 درصد 30 مرتبه از ریفاینر عبور کرد سپس وارد دستگاه هموژن ساز گردید در ادامه خمیر با فشار بالا به ظرف دیگری پمپ شد با این عمل خمیر تحت نیروهای ضربه و برش قرار گرفت و این پروسه 14 مرتبه تکرار شد. تکرار این فشارهای مکانیکی باعث شد که الیاف سلولز فیبریلی شده و در نهایت درجه فیبریله شدن افزایش یابد. طی این پروسه الیاف سلولز شکافته شده، الیاف بیشتر و بیشتر کوچک می شوند تا میکرو فیبریل های حاصله به قطری برابر 10-100 نانو متر برسند. (هر نانومتر برابراست با : ^9-10 متر) http://iranwood.fay.ir

فنل فرمالدهید از نوع PL-2340 بود که به وسیله شرکت GUN سلخته شده بود. http://iranwood.fay.ir

2.2 کامپوزیت MFC ساخته شده http://iranwood.fay.ir

MFC به میزان دو درصد وزنی الیاف در آب حل شده و محلول برای 48 ساعت هم زده شد. سپس یک لیتر از امولوسیون حاوی MFC با استفاده از خلا فیلتر شد، تا یک ورق دایره ای شکل نازک به قطر 18.5 سانتی متر تشکیل شود. سپس 10 ورق که به وسیله کاغذهای صافی از هم جدا شده بود در بین صفحات فلزی قرار گرفته و برای مدت 48 ساعت در دمای^c°70 قرار گرفتند برای اطمینان از خشک شدن، آنها به مدت 5 ساعت در حرارت ^c°70 و در شرایط خلاء نیز قرار گرفتند، سپس وزن آنها اندازه گیری شد. ورق های MFC در محلول رزین فنول حل شده در متانول با غلظتهای 1 - 2 - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 - 15 و 20 درصد غوطه ور شده و همچنین ورق های خمیرکرافت در رزین فنول محلول در متانول با غلظت 7.4 - 5 - 2.6 - 1.45 و 0.7 درصد غوطه ور شدند؛ تا رزین های مساوی با MFC در یافت نمایند. همه ورقه های غوطه ور شده در فنول برای 12 ساعت تحت خلا قرار گرفته و به مدت 96 ساعت در فشار معمولی و دمای ^c°20 نگه داشته شدند. ورقهای ایمپرگنه شده از محلولها خارج شده و در هوای آزاد خشک شدند؛ سپس در دمای^c°50 و به مدت 6 ساعت در اتو قرار گرفته و دوباره وزن شدند. مقدار رزین فنول جذب شده با استفاده از توزین قبل و بعد از ایمپرگنه شدن محاسبه شد. در نهایت دایره های کوچکی که از حدود 25 ورق روی هم چیده شده تشکیل شده بودند در حرارت ^c°160 و تحت فشارهای 30 ، 50 و MPa 100 پرس شدند.http://iranwood.fay.ir

2.3 آزمون مقاومت خمشی http://iranwood.fay.ir

نمونه ای به ابعاد (ضخامت mm 1.5 ، طول mm 45 و عرض mm8 ) تولید شد و تحت بار خمش سه نقطه ای ( در دستگاه اینسترون 4411 ) تست شدند ، MOE و MOR آنها اندازه گیری شد، طول دهانه mm 30 و سرعت بار گذاری mm/min5 بود.

3 نتایج و بحثhttp://iranwood.fay.ir

3.1 ساختار میکروسکوپی MFC                         

شکل شماره2 : اسکن میکروسکوپ الکترونیSEM شکل شماره 1 : ریزساختار دیواره یک سلول لیفی

:a یک فیبر منفرد کرافت b : MFC مقیاسmμ 10 : P :دیواره اولیه ؛ S1 ,S2, S3 دیواره خارجی میانی و .داخلی لایه جدار ثانویه، ө زاویه میکروفیبریلهای جدار سلولیhttp://iranwood.fay.ir

در تصویر (b2) MFC را مشاهده می کنید هردو تصویر در بزرگنمایی برابر (2000 Χ ) گرفته شده اند. تفاوت ساختاری در این دو شکل به وضوح دیده می شود؛ الیاف خمیر شبیه طنابی با عرض چند میکرو متر هستند و MFCبه صورت یک شبکه بلند الیاف نازک و رشته های میکرو فیبریلی که ابعاد آنها در حد نانو متر است دیده می شود به واسطه این ساختار ، نسبت سطح به حجم MFC به مقدار بسیار زیاد افزایش یافته است.http://iranwood.fay.ir

3.2 خواص مکانیکی کامپوزیت MFC

در شکل 3 اثر میزان رزین روی مقادیر، دانسیته ، مدول یانگ Eو مدول گسیختگی MOR یا(bσ) در نمونه های ساخته شده با فشار MPa 30 نشان داده شده است . دانسیته کامپوزیت MFC بدون توجه به میزان رزین به حداکثر خود رسید در حالی که کامپوزیت الیاف خمیر دانسیته کمتری داشت اما با افزایش رزین مشاهده شد که دانسیته به تدریج افزایش می یابد. http://iranwood.fay.ir

شکل شماره 3

مقایسه خواص مکانیکی کامپوزیت ساخنه شده بر پایه ●MFC و بر پایه الیاف○ فشرده شده تحت فشار MPa 30

دانسیته بالاتر کامپوزیت MFC حتی در میزان رزین پائین، احتمالا به واسطه انعطاف پذیری بهتر آنها در مقایسه با الیاف سخت خمیر می باشد گواه آشکار تقویت این ادعا این است که حتی بعد از خشک کردن و قبل از ایمپرگنه و پرس کردن دانسیته کیک MFC ، gr/cm³ 0.35 و دانسیته کیک الیاف خمیر gr/cm³ 0.2 بود. احتمالا دانسیته بالاتر کیک MFC به دلیل تاثیر نیروهای کاپیلاریته در طول پروسه خشک شدن بوده است ؛ از طرف دیگر کامپوزیت الیاف خمیر با مصرف مقدار بیشتر رزین دانسیته بیشتری پیدا کرد، که پلاستیسیته شدن و فشرده شدن بیشتر رزین PF علت آن می باشد.http://iranwood.fay.ir

حتی در مصرف رزین های کمتر، مدول یانگ کامپوزیت MFC به طور قابل ملاحظه ای بالا بود در حالی که در رزین های کم، مدول یانگ کامپوزیت الیاف خمیر خیلی پایین بوده که اما با افزایش رزین مدول یانگ افزایش یافت که علت آن افزایش دانسیته دراثر پلاستیسیته شدن رزین فنول می باشد.http://iranwood.fay.ir

مقاوت خمشی (مدول گسیختگی= MOR ) کامپوزیت MFC هم به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از کامپوزیت الیاف خمیر بود که حداکثر آن در میزان مصرف رزین 10 درصدمشاهده گردید. با این وجود ، در میزان مصرف رزین پائین مثلا کمتر از سه درصد مقاومت خمشی کامپوزیت MFC در حد مقاومت خمشی کامپوزیت الیاف خمیر بود که علت آن به جدا شدن ورقه ها نسبت داده شد که به ناکافی بودن رزین بین لایه ها بر می گردد.http://iranwood.fay.ir

شکل شماره 4

مقایسه خواص مکانیکی کامپوزیتهای ساخنه شدهhttp://iranwood.fay.ir

بر پایه ●MFC بر پایه الیاف○http://iranwood.fay.ir

فشرده شده تحت فشار MPa 100

به دلیل اینکه خواص مکانیکی مورد نظر، به اندازه کافی تامین نشدند لذا فشار پرس تا MPa 50 افزایش یافت؛ نتایج در حد کمی با کامپوزیت های پرس شده در MPa 30 متفاوت بود. افزایش اندکی در دانسیته و مدول یانگ کامپوزیت الیاف خمیر مشاهده شد؛ که همینطور ادامه یافت تا اینکه برابر شدند. http://iranwood.fay.ir

با مصرف 20 درصد رزین هر چند مدول گسیختگی به میزان زیادی افزایش نیافت ولی جدا شدن لایه های کامپوزیت در میزان رزینهای پائین هنوز ادامه داشت. افزایش فشار باعث تماس بینابینی الیاف خمیرکرافت گردید اما افزایش فشار پرس نتوانست برای MFC مفید واقع شود و همواره فاصله زیادی بین دو کامپوزیت وجود داشت، فشار دو برابر شد و به MPa 100 رسید در این فشار بسیار بالا انتظار می رفت که تغییر شکل کامل الیاف خمیر و در هم رفتن بینابینی در آنها حادث شود؛ پیش بینی می شد که با این کار خواص مکانیکی کامپوزیت الیاف خمیر افزایش یابد، البته اگر به الیاف در این فشار صدمه وارد نشود. نتایج دانسیته، مدول یانگ و مدول گسیختگی نمونه فشرده شده در MPa100 در شکل 4 نشان داده شذه است. http://iranwood.fay.ir

در این حالت حتی در میزان رزین کمتر افزایش بیشتری در دانسیته کامپوزیت الیاف خمیر مشاهده شد. چنین رفتاری در نمونه های فشرده شده در MPa50 هم مشاهده شد. هر چند همه دانسیته ها برای هر دو نوع کامپوزیت در همه مقادیر مصرف رزین فنول خیلی به هم شبیه بود، مدول یانگ کامپوزیتهای MFC و الیاف خمیر افزایش یافته و شبیه به هم بود ؛ جدا شدن لایه ها در کامپوزیت MFC کاملا ناپدید شد و به نظر می رسد فشار بالای MPa 100 باعث افزایش چسبندگی شد؛ هر چند به دلیل تفاوت ساختار، اخنلاف بسیار زیاد مقاومتی بین دو کامپوزیت وجود دارد. http://iranwood.fay.ir

به این موضوع باید توجه شود کهMFC به وسیله فیبریله کردن از الیاف خمیر کرافت به دست آمده بود یعنی همان الیاف خمیری که در ساخت کامپوزیت دیگر استفاده شد ، لذا هر دو سرشت و طبیعت مشابهی داشته و فقط در ساختار با هم متفاوتند.

بالا بودن مقدار مدول گسیختگی به واسطه بیشتر بودن کرنش کامل (Strain) در نقطه تسلیم است. که از این امر می توان نتیجه گرفت که ساختار فیبریله شده الیاف ، عامل این رفتار می باشد.http://iranwood.fay.ir

شکل شماره 5

منحنی های تنش– کرنش (A) کامپوزیت MFC وhttp://iranwood.fay.ir

(B) الیاف خمیر پرس شده در MPa 100 با سطوحhttp://iranwood.fay.ir

متفاوت درصد رزینPF

شکل 5 منحنی های تنش– تغییر شکل کامپوزیت MFC و الیاف خمیر پرس شده در MPa 100 و دارای مدول یانگ مشابه را مقایسه می کند. منحنی مربوط به کامپوزیت MFC بخش پلاستیک بیشتری نشان می دهد. در حالیکه کامپوزیت الیاف خمیر بخش پلاستیک بسیار کمی دارد و شکست زودتر اتفاق می افتد که این تفاوت آشکار بین دو کامپوزیت است؛ ساختار شبکه مانند میکرو فیبریلهای MFC که به هم متصل شده اند باعث افزایش دانسیته اتصال می شود و از گسترش ترک های ناگهانی ناشی از جدا شدن جلوگیری می کند، این ویژگی باعث ایجاد چند سازه ای می شود که قدرت جذب مقادیر زیاد انرژی ر را قبل از رسیذن به نقطه شکست دارد و این یعنی سختی و استحکام بسیار بالا. http://iranwood.fay.ir

شکل 6 منحنی های تنش – کرنش کامپوزیت MFC پرس شده در فشار MPa 100 و شمش منیزیوم تجاری را مقایسه می کند. شباهت آشکاری بین هر دو ماده مشاهده شده و هر دو دارای مقاومت و سختی مشابهی هستند. نقطه تسلیم کامپوزیتMFC با کاهش مصرف رزین بهبود می یابد و سختی برابر با منیزیم به دست می آورد.http://iranwood.fay.ir

باید به این نکته توجه شود که دانسیته کامپوزیت MFC ، gr/cm³ 1.45 است در حالی که دانسیته منیزیم gr/cm³ 1.8 می باشد. لذا مقاومت مخصوص (نسبت مقاومت به دانسیته) کامپوزیت MFC به میزان قابل توجهی بیشتر از منیزیم است. ساختار به هم بافته شبکه مانند با ابعاد نانو درMFC منجر به تولید کامپوزیتی شد که از نطر خواص مکانیکی با منیزیم رقابت می کند.

شکل شماره 6 : منحنی تنش – کرنش (A)کامپوزیت بر پایه MFC

با 6% رزین PF پرس شده تحت فشار MPa100 ، (B)کامپوزیت بر پایه MFC

با 10% رزین PF پرس شده تحت فشار MPa100 و(C) شمش منیزیم AZ91,T6

4 نتیجه گیری

ایده جدیدی در تولید محصول چند سازه مقاومت بالا با استفاده از سلولز فیبریله شده به عنوان تقویت کننده مطرح شده و توسعه یافت؛ این اندیشه بر اساس سه دلیل استوار شده است:

1-سلولز های تولید شده به وسیله گیاه از زنجیرهای ملکولی بسیار قوی تشکیل شده اند .

2-سلولزهای میکرو فیبریلی شده می توانند به عنوان نانو موادی که سطوح آنها به مقدار زیادی افزایش یافته در نظر گرفته شوند.

3-MFC دارای یک ساختار شبکه مانند شکل یافته از فیبریل ها و میکرو فیبریل ها - که به صورت پیوسته به هم متصل شده اند- است که در مقابل گسسته شدن الیاف مقاومت می کنند، بر اساس این اصل امکان این وجود دارد که سلولز الیاف خمیر را دوباره بررسی نموذه تا با استفاده از MFC کامپوزیتهایی با خواص مقاومتی بالا بسازیم.http://iranwood.fay.ir

مدول یانگ کامپوزیت MFC و کامپوزیت الیاف خمیر با استفاده از چسب فنول شبیه به هم و در حدود GPa 19 - 18 بودند، اما ماکزیمم مقاومت خمشی در کامپوزیت، MFC ، MPa 370 و در کامپوزیت الیاف خمیر MPa 260 بوده است.

REFERENCES :

1 D.H. Page, F. El-Hosseiny, K. Winkler: Nature 229, 252 (1971)

2 A.P. Shchniewind: Concise Encyclopedia of Wood & Wood-based Materia

(Pergamon, Oxford 1989) p. 63

3 W. Helbert, J.Y. Cavaille, A. Dufresne: Polym. Compos. 17, 604 (1996)

4 D.H. Page, F. El-Hosseiny, K. Winkler, R. Bain: Pulp Pap. Mag. Can. 73,

72 (1972)

5 D.H. Page, F. El-Hosseiny: J. Pulp Pap. Sci. 9, 99 (1983)

6 L.H. Sperling: Introduction to Physical Polymer Science (Wiley, New

York 2001) p. 499

7 A.F. Turbak, F.W. Snyder, K.R. Sandberg: J. Appl. Polym. Sci.: Appl.

Polym. Symp. 37, 815 (1983)

8 F.W. Herrick, R.L. Casebier, J.K. Hamilton, K.R. Sandberg: J. Appl.

Polym. Sci.: Appl. Polym. Symp. 37, 797 (1983)

http://iranwood.fay.ir