ارزیابی میکرو و نانو فیبرلیگنوسلولز تهیه شده از الیاف خمیرکاغذ کارتن کنگره ای کهنه (OCC) با روش سوپر آسیاب دیسکی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری تخصصی صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران،

2 دانشیار ،گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران،

3 دانشیار، گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران،

4 استادیار ، گروه مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: نانوسلولز و نانولیگنوسلولز به عنوان فراوان‌ترین نانوپلیمرهای زیستی در دهه اخیر توجه محققان رشته‌های مختلف را به خود جلب کرده است. روش سوپرآسیاب دیسکی خواص برجسته‌ای همچون سادگی، سرعت و راندمان زیاد تولید و تک مرحله‌ای بودن را دارا است. این خواص، برتری‌های ویژه‌ای در مقابل سایر روش‌های بالا به پایین تولید نانوسلولز دارد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه، الیاف خمیر کارتن کنگره‌ای کهنه (OCC) با فرآیند سریع، ساده و تک‌مرحله‌ای سوپر آسیاب دیسکی به نانوفیبرهای لیگنوسلولزی تبدیل شدند. خواص فیبرهای لیگنوسلولزی شامل ویژگی‌های ریخت‌شناسی (قطر و توزیع قطری) با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FE-SEM)، آنالیز عنصری توسط روش اسپکتروسکپی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX/EDS)، گرما وزن‌سنجی (TGA)، پایداری سوسپانسیون و نفوذپذیری به هوا در دو مقیاس میکرو و نانو مورد مطالعه قرار گرفت.
یافته‌ها: مقایسه متوسط قطری میکرولیگنوسلولز (10±37 میکرومتر) و نانولیگنوسلولز (10±66 نانومتر) نشان داد که فرآیند آسیاب با کاهش قطر، در تولید نانولیگنوسلولز دارای عملکرد مطلوبی بوده است. بر خلاف ته‌نشینی سوسپانسیون خمیر اولیه (میکروفیبر) پس از 2 دقیقه، سوسپانسیون نانوفیبر کاملاً پایدار بوده است. مقدار نفوذپذیری به هوا در فیلم میکرولیگنوسلولز (6/42 میکرومتر بر پاسکال در ثانیه) بسیار بیش‌تر از نفوذپذیری فیلم نانولیگنوسلولز (26/1 میکرومتر بر پاسکال در ثانیه) بوده که نشان می‌دهد با کوچک‌سازی ابعاد سلولز از مقیاس میکرو به نانو، سطح ویژه و پیوند افزایش یافته و ساختار فیلم به‌دست آمده یکنواختی بیش‌تر و تخلخل کم‌تری دارد.
نتیجه‌‌گیری: به‌طور کلی نتایج این تحقیق حاکی از موفق بودن تولید میکرو و نانولیگنوسلولز و فیلم آن از خمیر کارتن کنگره-ای کهنه (OCC) است. تولید نانولیگنوسلولز و بررسی پتانسیل‌های آن در مقابل تولید نانوسلولز (عاری از لیگنین و همی-سلولزها) می‌تواند سبب مزایای متعدد کاربردی و صنعتی برای تجاری‌سازی بیشتر این فراورده با ارزش افزوده زیاد گردد.

سابقه و هدف: نانوسلولز و نانولیگنوسلولز به عنوان فراوان‌ترین نانوپلیمرهای زیستی در دهه اخیر توجه محققان رشته‌های مختلف را به خود جلب کرده است. روش سوپرآسیاب دیسکی خواص برجسته‌ای همچون سادگی، سرعت و راندمان زیاد تولید و تک مرحله‌ای بودن را دارا است. این خواص، برتری‌های ویژه‌ای در مقابل سایر روش‌های بالا به پایین تولید نانوسلولز دارد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه، الیاف خمیر کارتن کنگره‌ای کهنه (OCC) با فرآیند سریع، ساده و تک‌مرحله‌ای سوپر آسیاب دیسکی به نانوفیبرهای لیگنوسلولزی تبدیل شدند. خواص فیبرهای لیگنوسلولزی شامل ویژگی‌های ریخت‌شناسی (قطر و توزیع قطری) با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FE-SEM)، آنالیز عنصری توسط روش اسپکتروسکپی پراش انرژی اشعه ایکس (EDX/EDS)، گرما وزن‌سنجی (TGA)، پایداری سوسپانسیون و نفوذپذیری به هوا در دو مقیاس میکرو و نانو مورد مطالعه قرار گرفت.
یافته‌ها: مقایسه متوسط قطری میکرولیگنوسلولز (10±37 میکرومتر) و نانولیگنوسلولز (10±66 نانومتر) نشان داد که فرآیند آسیاب با کاهش قطر، در تولید نانولیگنوسلولز دارای عملکرد مطلوبی بوده است. بر خلاف ته‌نشینی سوسپانسیون خمیر اولیه (میکروفیبر) پس از 2 دقیقه، سوسپانسیون نانوفیبر کاملاً پایدار بوده است. مقدار نفوذپذیری به هوا در فیلم میکرولیگنوسلولز (6/42 میکرومتر بر پاسکال در ثانیه) بسیار بیش‌تر از نفوذپذیری فیلم نانولیگنوسلولز (26/1 میکرومتر بر پاسکال در ثانیه) بوده که نشان می‌دهد با کوچک‌سازی ابعاد سلولز از مقیاس میکرو به نانو، سطح ویژه و پیوند افزایش یافته و ساختار فیلم به‌دست آمده یکنواختی بیش‌تر و تخلخل کم‌تری دارد.
نتیجه‌‌گیری: به‌طور کلی نتایج این تحقیق حاکی از موفق بودن تولید میکرو و نانولیگنوسلولز و فیلم آن از خمیر کارتن کنگره-ای کهنه (OCC) است. تولید نانولیگنوسلولز و بررسی پتانسیل‌های آن در مقابل تولید نانوسلولز (عاری از لیگنین و همی-سلولزها) می‌تواند سبب مزایای متعدد کاربردی و صنعتی برای تجاری‌سازی بیشتر این فراورده با ارزش افزوده زیاد گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of micro and Nano-fibers produced from old corrugated container (OCC) fibers by super disk grinding method

نویسندگان [English]

  • Mansoor Ghaffari 1
  • Ali Ghasemian 2
  • Mohammad reza Dehghani Firouzabadi 3
  • Hossein Yousefi 4
1 Ph.D. Student in Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
2 Associate Prof. Pulp and Paper Industries, Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Associate professor of Pulp and Paper Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
4 Assistant professor of wood composites products, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources
چکیده [English]

Background and objective: Cellulose Nano-fiber (CNF) and lignocellulose Nano-fiber (LCNF) are the most abundant bio-Nano-polymers that attracted much attention in researches and applications during recent decades. Super disk grinding method has prominent characteristics compared to the other methods such as simplicity, high speed, and high yield of production and owning single-stage process.
Material and methods: In this study, old corrugated container (OCC) was converted to lignocellulose microfibers (LCMF) and LCNF. LCNF was produced with ultra-fine friction grinding process, as a simple, fast and one-step downsizing method. The objective of this study was to investigate the grinding method on morphological characteristics (fiber diameter and distribution) with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDX/EDS) analysis, thermal gravimetric analysis (TGA), suspension stability and air permeability of films made from LCMF and LCNF.
Results: The average diameter of LCMF and LCNF obtained was 37±10 µm and 66±10 nm, respectively. The suspension of LCMF was unstable over checking stability time (after 2 min.), while the LCNF suspension had a long-term stability. The air-permeability of LCMF and LCNF films was 42.6 and 1.26 µmPa-1s-1, respectively. With downsizing lignocellulose fibers from micro to Nano scale, specific surface and bonding area increased and higher uniformity and lower porosity obtained.
Conclusions: In general, the results of this study showed that the production of LCNF and its film from OCC pulp were succeeded. Further investigations on the production of LCNF and evaluation its potential to produce different products compared to CNF (free of lignin and hemicelluloses) can bring many practical and industrial benefits to further commercialization of this value-added product.

Background and objective: Cellulose Nano-fiber (CNF) and lignocellulose Nano-fiber (LCNF) are the most abundant bio-Nano-polymers that attracted much attention in researches and applications during recent decades. Super disk grinding method has prominent characteristics compared to the other methods such as simplicity, high speed, and high yield of production and owning single-stage process.
Material and methods: In this study, old corrugated container (OCC) was converted to lignocellulose microfibers (LCMF) and LCNF. LCNF was produced with ultra-fine friction grinding process, as a simple, fast and one-step downsizing method. The objective of this study was to investigate the grinding method on morphological characteristics (fiber diameter and distribution) with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDX/EDS) analysis, thermal gravimetric analysis (TGA), suspension stability and air permeability of films made from LCMF and LCNF.
Results: The average diameter of LCMF and LCNF obtained was 37±10 µm and 66±10 nm, respectively. The suspension of LCMF was unstable over checking stability time (after 2 min.), while the LCNF suspension had a long-term stability. The air-permeability of LCMF and LCNF films was 42.6 and 1.26 µmPa-1s-1, respectively. With downsizing lignocellulose fibers from micro to Nano scale, specific surface and bonding area increased and higher uniformity and lower porosity obtained.
Conclusions: In general, the results of this study showed that the production of LCNF and its film from OCC pulp were succeeded. Further investigations on the production of LCNF and evaluation its potential to produce different products compared to CNF (free of lignin and hemicelluloses) can bring many practical and industrial benefits to further commercialization of this value-added product.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Disk super-grinding
  • old corrugated container (OCC)
  • Lignocellulose microfiber
  • Lignocellulose nanofiber

مراجع

1.Afra, E. 2006. Properties of Paper an Introduction. Aiij Press, 392p. (Translated In Persian)2.Danial, W.H., Majid, Z.A., Muhid, M.N.M., Triwahyono, S., Bakar, M.B., and Ramli, Z. 2015. The reuse of wastepaper for the extraction of cellulose nanocrystals. Carbohydrate Polymer.118: 165-169.
3.Chirayil, C.J., Mathew, L., and Thomas, S. 2014. Review of recent research in nanocellulose preparation from different lignocellulose fibers. Rev. Adv. Mater. Sci. 37: 20-28.
4.Colognato, R., Park, M.V.D.Z., Wick, P., and De Jong, W.H. 2012. Interactions with the human body (chapter 1), adverse effects of engineered nanomaterials: Exposure, toxicology, and impact on human health. Edited by Bengt Fadeel, Antonio Pietroiusti, and Anna A. Shvedova, Academic press (AP). 55:6.  722–723.
5.Dufresne, A. 2013. Nanocellulose: a new ageless bionanomaterial. Materials Today. 16: 6. 220-227.
6.Ghasemian, A., and Khalili, A. 2011. Principle and methods of paper recycle. Tehran: Aiij press, 184p. (In Persian)

7.Golestanifard, F., Bahrehvar, M.A., and Salahi, E. 2017. Methods of Identification and Analysis of Materials. Iran University of Science & Technology press. 380p.(In Persian)

8.Guo, J., and Catchmark, J.M. 2012. Surface area and porosity of acid hydrolyzed cellulose nanowhiskers and Cellulose Produced by Gluconacetobacter Xylinus. Carbohydrate polymers.87: 2. 1026-1037.
9.Hadilam, M.M., Afra, E., Ghasemian, A., and Yousefi, H. 2014. Preparation and properties of ground cellulose nanofibers. J. Wood Forest Sci. Technol. 20: 2. 139-149. (In Persian)10.Hubbe, M.A. 2007. Flocculation and
re-dispersion of cellulosic fiber suspensions: a review of effects of hydrodynamic shear and polyelectrolytes. BioResources. 2: 2. 296-331.
 11.Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindstrom, T., Ankerfors, M., Gray, D., and Dorris, A. 2011. Nanocelluloses: A new family of nature-based materials. Angewandte Chemie International Edition. 50: 5438-5466.
12.Lavoine, N., Desloges, I., Dufresne, A., and Bras, J. 2012. Microfibrillated cellulose - its barrier properties and applications in cellulose materials:A review. Carbohydrate Polymers.90: 735-764.
13.Mirshokraei, S.A. 2002. Wood chemistry: fundamentals and applications (Eero Sjöström). Aiij Publications. 198p. (Translated In Persian)
14.Mirshokraei, S.A. 2003. Pulp and paper technology (edition 2). Aiij Press, 501p. (Translated In Persian)
15.Missoum, K., Belgacem, M.N., and Bras, J. 2013. Nanofibrillated cellulose surface modification: A Review. Materials. 6: 1745-1766.16.Moon, R.J., Martini, A., Nairn,J., Simonsen, J., and Youngblood,J. 2011. Cellulose nanomaterialsreview: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews. 40: 3941-3994.
17.Osong, S.H. 2014. Mechanical pulp based Nano_ligno_cellulose; production, characterization and their effect on paper properties. Licentiate thesis. Mid Sweden University. 76 Pp.
18.Osong, S.H., Norgren, S., Engstrand, P., Lundberg, M., and Hansen, P. 2014. Crill: A novel technique to characterize nano-ligno-cellulose. Nord. Pulp Paper Res. J. 29: 2.190-194.
19.Shakeri, A., and Staiger, M.P. 2010. Phase transformations in regenerated microcrystalline cellulose following dissolution by an ionic liquid. BioResources, 5: 2. 979-989.20.Souza, A.G., Kano, F.S., Bonvent,
J.J., and Rosa, D. 2017. Cellulose nanostructures obtained from waste paper industry: A comparison ofacid and mechanical isolationmethods. Materials research. DOI: http://dx.doi.org/10.1590/1980-5373-MR- 2016-0863.
21.Yang, C., Gao, C., Wan, Y., Tang, T., Zhang, S., and Dai, K. 2011. Preparation and characterization of three-dimensional nanostructured macroporous bacterial cellulose/agarose scaffold for tissue engineering. J. Porous Mater.18: 5. 545-552.
22.Yousefi, H., Faezipour, M., Nishino, T., Shakeri, A., and Ebrahimi, G. 2011. All-cellulose composite and nanocomposite made from partially dissolved micro and nano fibers of canola straw. Poly. J.43: 6. 559-564.
23.Yousefi, H., Faezipour, M., Hedjazi, S., Mousavi, M. M., Azusa, Y., and Heidari, A.H. 2013. Comparative study of paper and nanopaper properties prepared from bacterial cellulose nanofibers and fibers/ground cellulose nanofibers of canola straw. Industrial Crops and Products. 43: 732-737.
24.Yousefi, H., Azari, V., and Khazaeian, A. 2018. Direct mechanical production of wood nanofibers from  rawwoodmicroparticles with no chemical treatment. Industrial crops and products. 115: 26-31.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار