سلولز یکی از مهم‌ترین پلیمرهای طبیعی است و به‌عنوان یک ماده خام پایان‌ناپذیر و ماده‌ای زیست‌سازگار در مقیاس صنعتی است. این ماده سال‌هاست که در قالب چوب و الیاف گیاهی به‌عنوان یک منبع انرژی، مصالح ساختمانی و پوشاک به‌کار برده می‌شود.

به گزارش مرکز ارتباطات و اطلاع رسانی معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری، الیاف سلولزی با داشتن عرضی در محدوده نانومتر، موادی مبتنی بر طبیعت با ویژگی‌های مفید و منحصر به فرد هستند. مهم‌تر از همه، نانوسلولزهای جدید که از الیاف سلولزی نانوساختار با یک بعد نسبتاً وسیع (نسبت طول به عرض) و با خواص معین تهیه می‌شوند، کاربردهای متعددی پیدا کرده‌اند. 

ترکیبات الیاف نانوساختار در فشار بالا، دمای بالا و شتاب بالا مجزا شده و منجر به ایجاد یک سطح وسیع می‌شوند و از این‌رو بر هم‌کنش‌های قوی با گونه‌های اطراف مانند آب، مواد پلیمری، مواد آلی، نانوذرات و سلول‌های زنده ایجاد می‌کنند. روش‌هایی از قبیل میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy- TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscopy-SEM) و ... برای شناسایی ساختار به‌کار می‌روند.

سلولز یکی از مهم‌ترین پلیمرهای طبیعی است و به‌عنوان یک ماده خام پایان‌ناپذیر، و ماده‌ای زیست‌سازگار در مقیاس صنعتی است. این ماده سال‌هاست که در قالب چوب و الیاف گیاهی به‌عنوان یک منبع انرژی، مصالح ساختمانی و پوشاک به‌کار برده می‌شود.

نانوسلولز، متشکل از فیبرهای سلولز با ابعاد نانو است، که نوعاً دارای ابعاد عرضی 20-5 نانومتر و ابعاد طولی در محدوده گسترده‌ای از ده‌ها نانومتر تا چند میکرون است. نانوسلولز دارای ظاهری بسیار چسبناک بوده و نواری ژل مانند و شفاف است.

تاریخچه

نخستین بار اصطلاح میکروفیبر (میکروالیاف) نانوسلولز توسط توربک (Turbak)، سنایدر (Synder) و سندبرگ (Sendberg) در اواخر دهه 1970 به‌کار گرفته شد. 

این ترکیب ماده ژل مانندی بود که از خمیر چوب در دمای بالا و فشار زیاد ایجاد می‌شد. اصطلاح MFC (Microfibrillated Cellulose) برای اولین بار در اوایل دهه 1980 ظهور کرد، و تعدادی از اختراعات ثبت شده روی این ترکیب نانوسلولزی جدید به نام ریونیر (Rayonier) معرفی گردید. در کارهای بعد، هریک (Herrick) پودر خشک این ژل را تهیه کرد. 

توربک و همکارانش کاربردهای جدیدی برای MFC/Nanocellulose یافتند. از این جمله می‌توان به استفاده از این ترکیبات به‌عنوان عوامل تغلیظ‌کننده و چسبناک‌کننده در صنایع غذایی، لوازم آرایشی، فرآیندهای تولید کاغذ، منسوجات و الیاف نبافته اشاره کرد.

تحقیقات بر روی میکرو/نانوالیاف‌های سلولزی (NFC/MFC)(Nanofibrillated Cellulose) و نانوبلورهای سلولز از سال 2000 افزایش یافت که از جمله این تحقیقات می‌توان به نمونه‌های زیر اشاره کرد: 

• کامپوزیت‌های شفاف NFC توسط نوگی (Nogi) در سال 2005

• صفحه‌هایی در قالب آهن توسط برگ لند (Berglund) در سال 2008

• صفحه‌های شفاف NFC توسط یانو (Yano) در سال 2009

ساختار و خواص نانوسلولز

سلولز یک هوموپلیمر خطی (دارای مونومرهای مشابه) از واحدهای β-D-گلیکوپیرانوزی است که با پیوند های گلیکوزیدی (1 به4) از طریق نیروهای وان‌دروالس و پیوندهای هیدروژنی درون و برون‌مولکولی به یکدیگر متصل شده‌اند. طول یک مولکول سلولز طبیعی حداقل 5000 نانومتر است و مربوط به زنجیره‌ای دارای حدود 10000 واحد گلیکوپیرانوزی است.

در سلول چوبی یک گیاه، زنجیره سلولز خطی به عنوان میکروفیبریل در حدود 35 نانومتر به‌صورت ابعاد متقاطع و دارای دو ناحیه بلوری و آمورف است

روش‌های تهیه

به‌طور کلی فیبرهای نانوسلولزی از پیش‌ماده‌های چوبی با استفاده از یک ماده همگن‌کننده (Hemogenizer) در فشار بالا تهیه می‌شود. این فرآیند منجر به ورقه ورقه شدن دیواره‌های سلولی الیاف‌های گیاهی شده و فیبریل‌های سلولزی نانوساختار به‌صورت مجزا به‌دست می‌آیند.

حالت بلوری نانوسلولز توسط هیدرولیز اسیدی (Acidic Hydrolysis) فیبرهای سلولزی طبیعی با استفاده از محلول‌های غلیظ نمک معدنی و اسید سولفوریک و اسید هیدروکلریک به‌دست می‌آید. حالت آمورف سلولز طبیعی نیز از محصول هیدرولیز شده، پس از زمان‌بندی دقیق و جداسازی از بخش‌های بلوری و مراحل شستشو قابل استحصال است

کاربردها

خواص نانوسلولز (مانند خواص مکانیکی، خواص لایه نازک، ویسکوزیته و غیره) آن را ماده‌ای جالب برای بسیاری از برنامه‌های کاربردی می‌سازد. در صنایع کاغذ و مقوا از نانوسلولز به‌دلیل اثر تقویتی قوی بر روی مواد کاغذ بهره می‌برند. در صنایع غذایی، پزشکی، آرایشی و دارویی این مواد به‌دلیل مصرف در ابرجاذب‌های آب و فیلم‌های ضدباکتری کاربرد دارند. 

از جمله دیگر کاربردهای این مواد می‌توان به ساخت کامپوزیت‌ها، تجهیزات الکترونیکی، صنایع چوب و مواد ساختمانی، بازیافت نفت (در شکست زنجیره‌های هیدروکربنی) و خودروسازی اشاره کرد.

در همین راستا ستاد توسعه فناوری نانو معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری به‌منظور هرچه بیشتر فناوری‌های نانویی در ایران فعالیت دارد.

پایان پیام/29