پایان نامه بررسی خواص فیزیکی ، مکانیکی و ریخت شناسی فیلم حاصل از نانوفیبر سلولز / پلی وینیل الکل

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc

رشته مهندسی صنایع چوب و کاغذ

مهر 1393

چکیده :

 در این پژوهش، خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیتهای حاصل از نانوفیبر سلولز وپلیمر پلی­وینیل­الکل مورد بررسی قرارگرفت. نانوکامپوزیت­ها از اختلاط پلیمر پلی­وینیل­الکل به عنوان ماتریس تجزیه شونده و سوسپانسیون نانوفیبرسلولز به­عنوان فاز تقویت­کننده طبیعی تجزیه شونده تهیه شدند. نانوفیبرهای سلولز با روش سوپر آسیاب از مخلوط سوزنی برگان تهیه گردید. فیبرهای سلولزی با استفاده از میکرسکوپ نیروی اتمی AFM مورد ارزیابی قرار گرفتند و قطر آنها 10±32 نانومتر اندازه­گیری شد. پلیمرهای پلی­وینیل­الکل به منظور تهیه محلول پلیمر در آب­ مقطر حل گردیدند. نانوکامپوزیت­ها پس از اختلاط محلول پلیمر با سوسپانسیون حاوی نانوفیبر سلولز، با روش قالب­گیری محلول تهیه شدند. خواص مکانیکی در رطوبت 55% اندازه گیری شد و افزایش معنی داری با افزایش درصد نانو در مقاومت مکانیکی مشاهده گردید. نتایج خواص مکانیکی نشان داد، مدول یانگ و استحکام کششی را به ترتیب 97 و  80 درصد افزایش داده است. بررسی ریخت شناسی فیلم­های ساخته شده، به وسیله میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانیFE-SEM   نشان داد سازگاری و سطح مشترک مناسب بین پلیمر و نانوفیبرهای سلولزی حاصل شده است. همچنین پراکنش مناسب نانوساختارهای سلولزی درپلیمر وجود داشت. در بررسی خواص زاویه تماس فیلم­های ساخته شده افزایش چشم­گیری مشاهده نشد و بر اساس گروه بندی دانکن تفاوت معنی داری رویت نشد.

واژه­های کلیدی: نانوکامپوزیت، نانوفیبر سلولز، پلی­ونیل­الکل ، خواص مکانیکی

فصل اول

مقدمه و کلیات

1-مقدمه

آلودگی محیط زیست و راه­های مقابله با آن یکی از مسائلی است که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نموده است و گرایش به سمت طبیعت امروزه در اکثر کشورهای پیشرفته و صنعتی به چشم می­خورد. اگر چه طبیعت توانایی خودپالایی آب و هوا را دارد ولی با افزایش جمعیت، بالا رفتن سطح زندگی و رشد صنایع، سرعت آلوده سازی اغلب بیشتر از خودپالایی طبیعت می­باشد. (نوشیروانی 1389)

تا قبل سال 1960 در کشورهای صنعتی توجه زیادی به آلودگی محیط زیست به عمل نمی­آمد. در سال 1960 اولین زنگ خطر آلودگی هوا در لس­آنجلس آمریکا زده شد. مه دود فتوشیمیایی در این مناطق باعث آبریزش چشم، سوزش گلو و خفگی گردید. از آن زمان به بعد با بررسی تغییرات به وقوع پیوسته در ترکیب اتمسفر و  مسائلی همچون؛ نابودی لایه ازن، بارانهای اسید،محلول فتوشیمیایی و اثر گلخانه­ای تلاشهای فراوانی برای درک بهتر شیمی محیط زیست صورت گرفت و کم­کم نیاز مبرم به کنترل آلودگی محیط زیست برای حفظ یک توسعه پایدار در جهان احساس گردید. (الماسی 1388)

پلاستیک­های مورد استفاده یکی از عوامل آلاینده محیط­زیست یه شمار می­آیند. این ترکیبات به دلیل دارا بودن ماهیت غیر زیست تخریب پذیر در محیط زیست باقی مانده و آلودگی­های زیست محیطی را موجب می­شوند.

از سال 1970 و با وخیم شدن مشکل دفن زباله در سطح جهان استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مطرح گردید که اولین موضوع در خصوص کیسه­های زباله و مواد یکبار مصرف بود طوری که 30% از پلاستیک­های تولیدی برای مصارف یکبار مصرف می­باشد و تنها 2% از آن بازیابی می­گردد لذا پلیمرهای زیست تخریب پذیر بعنوان جایگزین مناسب پلاستیک­های رایج مطرح گردید. (نوشیروانی 1389)

برای حل این مشکل، پژوهشگران به فکر استفاده از ترکییبات زیست تخریب پذیر افتاده­اند. ترکیباتی که به سادگی در محیط­زیست تخریب شده و به چرخه کربن وارد شوند. بایوپلیمرها جایگزین مناسبی برای ترکیبات سنتزی به شمار می­روند، آنها از منابع تجدید پذیر بدست می­آیند و به وفور در طبیعت یافت می­شوند.

(تصاویر و جداول در فایل اصلی قابل مشاهده است)

1-1 پلیمرها و انواع آن

پلیمرها بزرگ مولکول­هایی هستند که از تعداد زیادی واحدهای همسان تکراری به نام مونومر تشکیل شده­اند. پلیمرها به طور کلی دارای وزن مولکولی بیشتر از 5000 هستند. از دیر باز پلیمرها کارایی زیادی در زندگی انسان ها داشتند و امروزبه مهم ترین موضوع تحقیقات تبدیل گشتند.

پلیمرها را می­توان از نظر منشا تولید آن به دو دسته مصنوعی و طبیعی تقسیم کرد. پلیمر­های مصنوعی به طور عمده از منابع نفتی تهیه می­شوند. تولید و مصرف پلیمر­های نفتی به طور تقریبی از اواسط قرن بیستم  شروع شده و به طور فزاینده­ای پیشرفت کرده است. در شکل 1-1 روند افزایش مصرف این نوع  پلیمرها طی دهه­های مختلف نشان داده شده است(David teegarden، 2004).

(تصاویر و جداول در فایل اصلی قابل مشاهده است)

این افزایش مصرف پلیمرهای مصنوعی (بر پایه نفت) به دلیل محدود بودن منابع نفتی ، تخریب پذیر نبودن در محیط زیست و آلودگی آن نگرانی های زیادی را بوجود آورده و باعث جلب نظر دانشمندان به سمت بررسی پلیمرهای طبیعی ( زیست تخریب پذیر) شده است.

پلیمرهای طبیعی در طبیعت توسط فعالیت طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان ، جانوران و باکتری ها تولید می شوند. این مواد به سادگی توسط فعالیت موجودات زنده به ریز واحد های سازنده خود تجزیه شده و در محیط زیست باقی نمی­مانند. تولید و استفاده این پلیمرها در صنعت برای این منظور و با هدف داشتن صنعتی در خدمت توسعه پایدار و حفظ زیست بوم های طبیعی در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته قرار گرفته است. چند نوع عمده از پلیمر های طبیعی  را در جدول زیر می توانید ملاحظه کنید(David teegarden، 2004).

پلیمرهای زیست تخریب پذیر براساس اجزای تشکیل دهنده آن از نظر خاستگاه به دو دسته طبیعی و غیر طبیعی تقسیم می­گردد.

1-1-1-پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خاستگاه طبیعی

پلیمرهای زیست تخریب پذیر با خاستگاه طبیعی به شش گروه تقسیم می­شوند؛ پلی­ساکاریدها، مانند: نشاسته سلولز و پروتئینها، پلی­اترهای تولید شده از میکروارگانیسمها یا گیاهان، مانند: پلی­هیدروکسی­الکانوآتها یا
پلی­هیدروکسی­بوتیرات، پلی­استرهای ساخته شده بر پایه منومر طبیعی نظیر پلی­لاکتیک­اسید.

1-1-2-پلیمرهای زیست تخریب پذیر سنتزی

پلیمرهای زیست تخریب پذیر زیادی وجود دارد که از مواد اولیه پتروشیمی تولید می­شوند که میتوان از جمله آنها به پلی­استرهای آلیفاتیک زیر را نام برد:

پلی­گلایکولیک­اسید

پلی­استرهای­آروماتیک یا ترکیب با پلی­استرهای­آلیفاتیک

پلی­وینیل­الکلها

پلی­الفین­های اصلاح شده

-1-3- پلی وینیل الکل

پلی(وینیل الکل) بزرگ ترین پلیمر سنتزی قطبی تولید شده در دنیا از نظر فراوانی است که زیست تخریب پذیری در محیط زیست مهم ترین ویژگی آن است. پلی(وینیل الکل) پلیمری نیمه بلوری و محلول در آب با خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه است. با توجه به ناپایداری مونومر وینیل الکل و تبدیل ناخواسته آن به آلدهید، این مونومر قابلیت پلیمر شدن و تبدیل به پلی(وینیل الکل) را ندارد. از این رو، معمولا این پلیمر از واکنش صابونی کردن پلی(وینیل استات) به دست می­آید. (Kokabi و همکاران، 2007)،. پلی(وینیل الکل) به دلیل خواص ویژه، نظیر سازگاری با محیط زیست، انحلال پذیری در آب، مقاومت کششی زیاد، مقاومت زیاد در برابر خوردگی در محیط­های قلیایی، نفوذ پذیری کم در برابر گازها و خواص نوری مطلوب در صنایع نساجی، کاغذ سازی، بسته بندی و پزشکی کاربرد­های گسترده­ای دارد (Lyoo و همکاران، 2000). در بسیاری از کاربردهای پلی (وینیل الکل) از جمله در تولید الیاف مصنوعی و همچنین به عنوان پوشش ئر صنایع کاغذ­سازی، وزن ملکولی آن اهمیت بسیاری دارد. در سایر کاربردها نیز وزن ملکولی به دلیل اثر مستقیم بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمر مورد توجه قرار می­گیرد. (Navarchian و Mousazadeh، 2010)  

خصوصیت شیمیایی این پلیمرها، یعنی واکنش پذیری گروههای هیدروکسیل فراوان آنها به شدت به مقدار

گروههای استیل باقی مانده یا درجه هیدرولیز آنها بستگی دارد. به لحاظ تئوری گریدهای به صورت جزیی هیدرولیز شده را میتوان به عنوان مخلوطی از پلیمرهای وینیل­الکل و وینیل­استات در نظرگرفت. رابطه بین درجه هیدرولیز و خواص پلیمر منجر به تولید انواع (گریدهای)مختلفی از پلی(وینیل الکل)  با خصوصیات متنوع میشود. این تنوع در خواص امکان استفاده از پلی(وینیل الکل) کاربردهای مختلفی را پدید میآورد. یکی از مهمترین کاربردهای این پلیمرها ، استفاده از آنها به عنوان ماتریس در نانوکامپوزیت­های زیست تجزیه­پذیر میباشد.

1-2-نانو کامپوزیت

جامد چند فازی است که یک یا چند فاز آن ابعادی در اندازه نانو متر  دارد. این امر موجب  به منجر به خواص منحصر به فردی در مقایسه به کامپوزیت های مرسوم می­شود. خواص بهبود یافته نانو کامپوزیت ها شامل خواص مکانیکی بهتر ، مقاومت شیمیایی بالاتر، کاهش نفوذ گازی، هدایت الکتریکی بالا در میزان کمتری از پر کننده ها در مقایسه با پر کننده های مرسوم و همچنین فرایند پذیری بهتر است. خواص نانوکامپوزیت­ها به طور قابل ملاحظه­ای به پرکننده­ها بستگی دارد.  امروزه نانو کامپوزیت­ها کاربردهای زیادی مانند کاربرد در مواد الکتریکی، صنعت خودرو، هواپیمایی، بسته بندی، حسگرها، محرک­ها، رهایی دارو و پوشش­ها و رنگریزه­ها  دارند. برخی نانو کامپوزیت ها که تخریب بیولوژیکی نمی­شوند تهدیدی برای طبیعت به شمار می­روند. در سالهای اخیر تحقیقات بر روی نانوکامپوزیت­های پلیمری بیولوژیکی که در محیط تجزیه می­شوند گسترش یافته است، زیرا آنها ما را از سوخت­های فسیلی بی­نیاز می­کنند. در مقابل خواص منحصر به فرد نانوکامپوزیت­ها ، در ساخت آنها مشکلات فرایندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده­ای دارند. مهمترین مشکل فرایندی تهیه نانو کامپوزیت­ها عدم توزیع یکنواخت ذرات نانو در فاز زمینه­ای و کاهش خواص مکانیکی  آن است. یکی از مهمترین روش­های پراکنش ذرات نانو در ماتریس پلیمری قالب ریزی محلول با استفاده از تبخیر حلال آلی یا آبی که به شرح زیر می­باشد( Gilberto Siqueiraو همکاران، 2010).

تولید نانوکامپوزیت ها راه کار دیگری برای بهبود خواص کاربردی فیلم های زیست پلیمری است. نانوکامپوزیت ها به کامپوزیت های حاوی پرکننده های تقویت کننده گفته می شود که یکی از ذرات پرکننده آن دارای ابعاد نانومتر باشد. بر اساس شکل هندسی نانوپرکننده، نانوکامپوزیت ها را می توان به سه گروه زیر دسته بندی کرد :

 1- کامپوزیت های تقویت شده با ورقه هایی با ضخامت در حد نانومتر مانند نانوخاک های رس

2- کامپوزیت های تقویت شده با لوله ها یا رشته ها ( Whiskers) با قطری در ابعاد نانومتر مانند نانولوله های کربنی، نانوبلور های سلولز و نانوبلور کیتین .

3-  نانوکامپوزیت های تقویت شده با ذرات کروی در ابعاد نانومتر که در این گروه به اکسیدهای فلزات در اندازه نانومتر، سیلیکا و کربن می توان اشاره کرد.

1-2-1 قالب ریزی محلول با استفاده از تبخیر حلال آلی یا آبی

این روش متداولتر است و تشکیل شبکه بین ذرات نانو و پلیمر بهتر صورت می­گیرد.

بر اساس پلیمر و حلال سه فرایند مختلف در این روش وجود دارد :

استفاده از حلال­های آبی

استفاده از روش امولیسیون

استفاده از حلال­های غیر آبی

استفاده از حلال­های آبی:

در این روش حلال واسطه استفاده می­شود و پلیمر زمینه­ای و نانو ذرات در آب حل شده و بعد از تبخیر آب فیلم بدست آمده نانو کامپوزیت سلولزی است.

این روش دو محدودیت دارد: 1- پلیمرهایی که در این روش استفاده می­شوند محدود به پلیمرهای آب دوست می­شوند. 2- بدلیل اینکه پلیمر آب دوست است ، خارج کردن آب از آن مشکل است که معمولا اینکار تحت شرایط آون خلا باید انجام شود (Gilberto و همکاران، 2010).

استفاده از روش امولسیون:

این روش برای پلیمرهای غیر قطبی مورد توجه است. در این روش نیز از آب به عنوان حلال واسطه استفاده می شود پلیمرهای غیر قطبی در این محیط آبی به صورت امولسیون در می­آیند و نانو سلولز به صورت همگن در آب پخش می­شود . بعد از تبخیر نانوسلولز می­تواند در پلیمر پخش شود که پراکندگی در این روش به خوبی انجام نمی­شود و در این روش بیشتر از پلیمرهای نیمه قطبی استفاده می­شود (Favier  و همکاران ، 1995).  

استفاده از حلال های غیر آبی :