عنوان پایان‌نامه
تاثیر روش خشک کردن پاششی برخواص نانوسلولز و کامپوزیت حاصل از آن
- رشته تحصیلی
- مهندسی منابع طبیعی - علوم و صنایع چوب و کاغذ
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی شماره ثبت: 6529;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70425
- تاریخ دفاع
- ۲۹ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حمیدرضا پیرایش
- استاد راهنما
- محمد آزاد فلاح
- چکیده
- افزایش تحقیقات روی فراورده‌های برپایه نانوسلولز باعث ایجاد فرصت عظیمی برای روش‌های تولید صنعتی آن شده است. عمدتاً نانوسلولز به دلیل ماهیت آب‌دوست و تمایل به تشکیل کلوخه به صورت سوسپانسیون‌های آبی فراوری می‌شود که تهیه نانوسلولز خشک با حفظ ابعاد نانومتری آن از چالش‌های بزرگ در صنعتی شدن این فراورده‌ها می‌باشد. در این تحقیق، روش خشک‌کن پاششی برای خشک کردن سوسپانسیون نانوالیاف و نانوکریستال سلولز مورد استفاده قرار گرفت. نانوالیاف سلولزی و نانوکریستال سلولزی تولید شده با گستره اندازه قطر به ترتیب 42-250 و 30-120 نانومتر به پودرهای با گستره اندازه قطر به ترتیب 90-180 و 78 تا 1250 نانومتر با استفاده از دستگاه Buchi-90 Nano-spray dryier تبدیل شدند. این درحالی است که با استفاده از دستگاه Mini spray drier Buchi-290 پودرهای حاصل در شرایط آزمایش یکسان دارای گستره اندازه قطر بسیار بالاتر می‌باشند. مکانیسم خشک شدن نانوالیاف و نانوکریستال سلولز در خشک‌کن پاششی ترسیم شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی حاکی از کروی شکل بودن پودرهای نانوکریستال سلولز به شکل توخالی بود در حالی‌که برای سوسپانسیون نانوالیاف سلولزی دو مدل قطره می‌تواند در حین فرآیند افشانه کردن تشکیل شود: قطرات نانوالیاف سلولزی بدون فیبریل‌های جانبی (بیرون زده) و قطرات نانوالیاف سلولزی با فیبریل‌های جانبی. طول فیبریل‌های اولیه در سوسپانسیون منجر به ایجاد وجه تمایز می‌شود. برخلاف خشک کردن با روش‌های زمان‌بر (خشک کردن در هوای آزاد، خشک کردن انجمادی و ...) که در آن نانوسلولز به دلیل سرعت تبخیر آب پایین امکان بازآرایی در جهت دلخواه را دارند، در روش خشک‌کن پاششی با دستگاه Buchi-90 Nano-spray dryier این فرصت برای آن وجود ندارد و لذا مقاومت مکانیکی/ حرارتی نانوسلولز دچار افت کیفیت نمی‌شود. سرعت بالای خشک شدن در فرآیند خشک‌کردن پاششی بازآرایی نانوسلولز را محدود کرده و نانو سلولز خشک شده به این روش پیوندهای هیدروژنی کمتر تشکیل می‌دهد. این بدان معنی است که نانوسلولز خشک شده به روش پاششی دارای گروه‌های هیدروکسیل سطحی بیشتر (و احتمالا مولفه‌های پراکندگی انرژی سطحی بالاتر) در مقایسه با روش‌های زمان‌بر می‌شود. نتایج آزمون پراش اشعه ایکس نشان داد که شاخص بلورینگی پودرهای نانوسلولز خشک شده با متغیرهای مختلف به روش پاششی یکسان است. به واسطه بالاتر بودن نسبت منظر نانوالیاف سلولز در مقایسه با نانوکریستال سلولز، در غلظت یکسان، اندازه قطرات نانوالیاف سلولز تشکیل شده توسط خشک‌کن پاششی به‌مراتب بیشتر بوده و این امر سبب پیچیده‌تر شدن فرآیند خشک شدن آن می‌شود. استفاده از تیمارهای مافوق صوت برای بهبود قابلیت بازپخش شدن پودر نانوسلولز خشک شده به روش پاششی در آب موثر است. نتایج DMA حاکی از برهم‌کنش نسبی بین نانوسلولز و پلی‌وینیل‌الکل داشت که منجر به بهبود بلورینگی ماتریس شد. همچنین نتایج این مطالعه نشان داد که از پتانسیل عظیم و بالقوه نانوسلولز و بویژه پودرهای نانوالیاف و نانوکریستال سلولز خشک شده به روش پاششی در بهبود خواص مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و فیزیکی در صورت استفاده از آن‌ها در ماتریس‌های پلیمری آب‌دوست با دمای نرم‌شدگی پایین نظیر پلی‌وینیل الکل به ویژه در دماها یا رطوبت‌های نسبی بالا به نحو احسن استفاده نخواهد شد چراکه در حالی دمای نرم شدن PVA در حدود 42 درجه سانتی‌گراد است که این رقم برای نانوسلولز در حدود 220 درجه سانتی‌گراد می‌باشد و از طرف دیگر جذب آب این پلیمر بسیار بالاست. همچنین، به واسطه مشکل تشکیل حباب در آب برای این پلیمر که در سطوح بالاتر نانوسلولز بارزتر نیز می‌شود بایستی از همزنی بسیار ملایم (عدم اختلاط مناسب) و از سطوح نانوسلولز پایین (کمتر از 5% وزنی) استفاده گردد. پودرهای نانوسلولز تهیه شده به روش پاششی برخلاف پودرهای حاصل از دیگر روش‌های خشک‌کنی زمان‌بر، در اثر تنش‌های خشک کردن دچار افت پایداری حرارتی و کاهش درجه بلورینگی نمی‌شوند و لذا قابلیت استفاده به‌عنوان تقویت‌کننده در پلیمرهای غیرقطبی با دمای نرم‌شدگی نسبتاً زیاد در فرایند اکستروژن و آمیزه سازی مذاب را دارا هستند. با خشک‌کردن نانوسلولز ضمن توسعه‌ی کاربردهای صنعتی این ماده استثنایی و منحصربه‌فرد در صنایعی همچون بسته‌بندی، چوب پلاستیک، داروسازی، کاغذ‌سازی و ....، در کنار طولانی‌تر شدن مدت و کیفیت نگه‌داری آن و کاهش خطر آلودگی میکروبی/ قارچی، هزینه و حجم حمل و نقل آن کمتر می‌شود.
- Abstract
- Increasing research activity on cellulose nanofibril-based materials provides great opportunities for novel, scalable manufacturing approaches. Nanofibrilated celluloses (NFCs) are typically processed as aqueous suspensions because of their hydrophilic nature. One of the major manufacturing challenges is to obtain dry NFCs while maintaining their nano-scale dimensions. In this study, the Spray-drying of two different types of NFC suspensions nanofibrillated cellulose (NFC) and cellulose nanocrystals (CNCs) was carried out using two laboratory scale spray dryers named BUCHI B-90 and BUCHI B-290. The effects of three spray-drying process parameters on the particle morphology and particle size distribution were evaluated. Besides, the effect of chemical modification of NFC and NCC on particle size distribution of the resulting powders and mechanical properties of PVA based composites was evaluated. The particle size and morphology of the NFCs were determined via dynamic light scattering, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and morphological analysis. BUCHI B-90 formed particles with a size distribution ranging from 80 nanometers to 2 microns, while, BUCHI B-290 formed particles with size distribution varying from 3 microns to 5 microns. Particle morphology formation mechanisms are proposed for the spray-drying of nanocellulose suspensions. The effect of the spray-drying process parameters on the particle size distribution depends on the drying nature of the materials. SEM showed that spray-drying of NFC formed fibrous particles and fibrous agglomerates while spray-drying CNCs produced spherical and mushroom cap (or donut) shaped particles Chemically modified powders also were narrow in particle size distribution due to lower OH surface groups to have hydrogen bonding with OH of water but they had lower mechanical properties as well. For the application of nanocellulose in non-polar thermoplastics, spray-dried products are recommended according to their untouched and higher thermal stability and higher crystallinity index for BUCHI B-90 and BUCHI B-290 respectively as it decreases employing long lasting drying methods such as air drying, oven drying and freeze drying.
