تولید و ارزیابی خواص نانوکامپوزیت‌ ‌لایه‌ای سلولزی چوب و باکتری حاوی رزین اپوکسی‌

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 استاد، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: در دو دهه گذشته، نانومواد زیستی پایدار نظیر نانوسلولز (نانوالیاف سلولز باکتری و نانوالیاف سلولز چوب) مورد توجه زیاد محققان جهت تولید محصولات در زمینه‌های مختلف قرار گرفته است. از جمله خواص بسیار مهم نانومواد زیستی می‌توان به زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، تجدیدشوندگی، در دسترس بودن ماده اولیه ارزان و فراوان، خواص مکانیکی مناسب و همچنین ایمن بودن آن‌ها اشاره کرد. براساس این خواص کاربردهای متعدد برای این نانوپلیمر زیستی ایجاد شده است. یکی از این محصولات، نانوفیلم است که از طریق ایجاد پیوندهای هیدروژنی بین نانوالیافهای سلولزی تشکیل شده و در تولید آن از مواد افزودنی یا چسب استفاده نمی‌گردد. هنگامی‌که نانوالیاف سلولز باکتری (BCNF) و نانوالیاف سلولز چوب (WCNF) به‌صورت فیلم به‌عنوان تقویت‌کننده در ساخت نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای استفاده می‌شوند، به‌دلیل وجود ساختار شبکه‌ای سلولزی توانایی تقویت عالی را نشان می‌دهند. در سال‌های اخیر تمرکز بر تولید نانوکامپوزیت‌، بهینه‌سازی ویژگیهای آن و استفاده از آن در ساخت محصولات با تکنولوژی بالا رو به افزایش است. با عنایت به اهمیت فنی و کاربردی نانوالیاف سلولز، نانوفیلم (لایه) سلولزی و نانوکامپوزیت تهیه‌شده از آن‌ها و نیز لزوم بررسی و ارزیابی هر چه بیش‌تر این محصولات جهت انجام تحقیقات کاربردی آتی، در این مطالعه در نظر است تا خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت لایه‌ای سلولزی چوب و باکتری مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد.
مواد و روش‌ها: برای انجام این مطالعه ژل نانوالیاف سلولز چوب و فیلم تر نانوالیاف سلولز باکتری استفاده شد. برای ساخت نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای نانوالیاف سلولز چوب، ابتدا نانو لایه سلولزی چوب با استفاده از نانوالیاف سلولز چوب و روش وکیوم-فیلتراسیون ساخته شد و در مرحله بعد جابجایی حلال نانو لایه ها با اتانول و استون طی چند مرحله صورت گرفت. سپس رزین اپوکسی، هاردنر و استن با نسبت 20:10:70 مخلوط و روی همزن مغناطیسی جهت حذف حباب قرار گرفت، در مرحله بعد نانولایه سلولزی با رزین اپوکسی آغشته شده و به‌تعداد 4 لایه روی هم قرار گرفتند و سپس نانوکامپوزیت لایه‌ای با دستگاه پرس گرم به‌مدت 3 ساعت با دمای 60 درجه سانتی‌گراد و فشار 25 بار خشک شدند. مراحل ساخت نانوکامپوزیت لایه‌ای سلولز باکتری مشابه نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای سلولز چوب می‌باشد با این تفاوت که به‌منظور تهیه نانولایه سلولز باکتری، فیلم تر نانوالیاف سلولز باکتری در پرس گرم با دمای 70 درجه ‌سانتیگراد و به‌مدت 3 ساعت خشک شد و در مرحله بعد نانوکامپوزیت لایه‌ای مربوطه ساخته شد. به‌منظور بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های حاصل، از آزمون‌های مختلف مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (FESEM) ، پراش پرتو ایکس (XRD ) ، طیف‌سنجی مادون قرمز (ATR-FTIR)، کشش استاتیک و جذب آب استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد متوسط قطر نانوسلولزباکتری و نانوسلولزچوب به‌ترتیب 15±32 و 16±36 نانومتر بوده است. جذب آب نانوکامپوزیت لایه‌ای نسبت به نانولایه تهیه‌شده از هر دو نانوساختار پایین‌تر بودند. پیک‌های XRD نانوسلولزباکتری و نانوسلولزچوب با یکدیگر متفاوت بوده و درجه کریستالی آن‌ها به ترتیب 87 و 69 درصد محاسبه شد. مقاومت کششی، مدول یانگ و کرنش نانوکامپوزیت لایه‌ای تهیه‌شده از نانوسلولزباکتری از مقادیر متناظر نانوکامپوزیت لایه‌ای تهیه‌شده از نانوسلولزچوب بیشتر بودند.
نتیجه‌گیری: نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای تهیه‌شده از نانوالیاف سلولزی ویژگی‌های مناسب فیزیکی و مکانیکی نظیر جذب آب پایین و مقاومت بالا از خود نشان داده است. لذا بر مبنای این ویژگی‌ها و روند رو به رشد تحقیقات مرتبط، انتظار می‌رود در آینده نزدیک کاربردهای وسیع‌تری در زمینه‌های هوافضا، اتومبیل، پزشکی، مهندسی پزشکی، صنایع غذایی، فیلم‌سازی، الکترونیک و مغناطیس و ... پیدا نماید.
واژه‌های کلیدی: اپوکسی، نانوالیاف سلولز باکتری، نانوالیاف سلولز چوب، نانوفیلم، نانوکامپوزیت لایه‌ای.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Production and evaluation of the properties of wood and bacterial cellulose layered nanocomposite containing epoxy resin

نویسندگان [English]

  • Sedigheh Izee 1
  • Abolghasem Khazaeian 2
  • Hosein Yousefi 3
  • Mehdi Mashkour 3
1 PHD. Student, Dept., of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
2 Professor., Dept, of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Associate Professor., Dept, of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

Background and objectives: In the last two decades, sustainable biological nanomaterials such as nanocellulose (bacterial nanofibers cellulose and wood cellulose nanofiber) have received much attention from researchers to produce products in various fields. Biocompatibility, biodegradability, renewability, cheap and plentiful raw material availability, appropriate mechanical properties, and safety are among the most important properties of biological nanomaterials. Based on these properties, many applications have been created for it. One of these products is nanofilm, which is formed by creating hydrogen bonds between cellulose nanofibers, and no additives or adhesives are used in its production. When bacterial cellulose nanofibrils (BCNF) and wood cellulose nanofibers (WCNF) are used as a film as reinforcement in the construction of layered nanocomposites, due to the presence of cellulose network structure show excellent reinforcement ability. In recent years, the focus on nanocomposite production, optimizing its properties, and using high-tech products is increasing. Considering the technical and practical importance of nanofibrocellulose, cellulose nanofilm (layer), and nanocomposite prepared them, as well as the need for investigation and evaluation of these products as much as possible for future applied research, this study, is intended to determine the physical and mechanical properties of cellulose layered wood nanocomposite and bacteria be examined and compared.
Materials and methods: wood cellulose nanofiber gel and bacterial cellulose nanofiber film were used for this study. Tomake wood cellulose nanofiber layered nanocomposites, first, wood cellulose nanolayer was made using wood cellulose nanofiber and vacuum-filtration method .In the next step, the solvent displacement of nanolayers was done with ethanol and acetone several times. Then, epoxy resin, hardener, and acetone were mixed with a ratio of 20:10:70 and placed on a magnetic stirrer to remove bubbles. In the next step, the cellulose nanolayer was coated with epoxy resin, and 4 layers were placed on top of each other, and then layered nanocomposite with a heat press machine. They were dried for 3 hours at 60°C. The manufacturing steps of bacterial cellulose layered nanocomposite are similar to wood cellulose layered nanocomposites, with the difference that to prepare bacterial cellulose nanolayer, the bacterial cellulose nanofiber film was dried in a hot press at 70°C for 3 hours, and in the next step, the related layered nanocomposite was made. To investigate the properties of the resulting nanocomposites, various tests such as scanning electron microscopy (FESEM), X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (ATR-FTIR), static tension and water absorption were used.
Results: The results showed that the average diameter of bacterial nanocellulose and wood nanocellulose was 45±15 and 38±16 nm, respectively. The water absorption of layered nanocomposite was lower than the nanolayer prepared both nanostructures. The XRD peaks of bacterial nanocellulose and wood nanocellulose are different , and their crystallinity was calculated as 87% and 69%, respectively. Elastic strength, Young's modulus, and strain of the layered nanocomposite prepared of bacterial nanocellulose were higher than the related values of the layered nanocomposite prepared of wood nanocellulose.
Conclusion: layered nanocomposites prepared of cellulose nanofibers have shown suitable physical and mechanical properties such as low water absorption and high resistance. Therefore, based on these properties and the growing trend of related research, it is expected that shortly find wider applications in the fields of aerospace, automobile, medicine, medical engineering, food industry, filmmaking, electronics and magnetism, etc.
Keywords: epoxy, bacterial cellulose nanofiber, wood cellulose nanofiber, nanofilm, layered nanocomposite.

کلیدواژه‌ها [English]

  • epoxy
  • bacterial cellulose nanofiber
  • wood cellulose nanofiber
  • nanofilm
  • layered nanocomposite

مراجع

 1.Yang, S. Y., Lin, W. N., Huang, Y. L., Tien, H. W., Wang, J. Y., Ma, C. C. M., ... & Wang, Y. S. (2011). Synergetic effects of graphene platelets and carbon nanotubes on the mechanical and thermal properties of epoxy composites. Carbon. 49 (3), 793-803.
2.Galpayage Dona, D. G., Wang, M., Liu, M., Motta, N., Waclawik, E., & Yan, C. (2012). Recent advances in fabrication and characterization of graphene-polymer nanocomposites. Graphene. 1 (2), 30-49.
3.Izee, S., Yousefi, H., Mashkour, M., & Rasouli, D. (2018). Comparative study on the properties of nanopapers prepared from cellulose and chitin nanofibers. J. of Wood and Forest Science and Technology. 25 (3), 61-72. [In Persian]
4.Parvaneh, V., Shariati, M., & Nezakati, A. (2015). "Statistical analysis of the parameters influencing the mechanical properties of layered MWCNTs/PVC nanocomposites. International J. of Nano Dimensions. pp. 509-516.
5.Nahidi Azar, F., & Karimi, S. (2016). Examining the achievements of nanocomposite in the construction industry. 3rd International Conference on Modern Research in CIVIL Engineering, Architectural and Urban Development, Berlin-Germany. 9 JULY 2016. [In Persian]
6.Kargarzadeh, H., Mariano, M., Huang, J., Lin, N., Ahmad, I., Dufresne, A., & Thomas, S. (2017). Recent developments on nanocellulose reinforced polymer nanocomposites: A review. Polymer. 132, 368-393.
7.Shrestha, S., Chowdhury, R. A., Toomey, M. D., Betancourt, D., Montes, F., & Youngblood, J. P. (2019). Surface hydrophobization of TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils (CNFs) using a facile, aqueous modification process
and its effect on properties of epoxy nanocomposites. Cellulose. 26 (18), 9631-9643.
8.Neves, R. M., Ornaghi Jr, H. L., Zattera, A. J., & Amico, S. C. (2021). Recent studies on modified cellulose/ nanocellulose epoxy composites: A systematic review. Carbohydrate Polymers. pp. 255, 1173.
9.Izee, S., Yousefi, H., Mashkour, M., & Rasouli, D. (2020). Fabrication and properties evaluation of three-layered transparent nanocomposites reinforced with cellulose and chitin nanofibers. Iranian J. of Wood and Paper Industries. 10 (4), 495-505. [In Persian]
10.Mokhena, T. C., & John, M. J. (2019). Cellulose nanomaterials: new generation materials for solving global issues. Cellulose. pp. 1-46.
11.Chirayil, C. J., Mathew, L., & Thomas, S. (2014). Reviews of recent research in nano cellulose preparation from different lignocelluloseic fibers. Reviews on Advanced Materials Science. 37.
12.Huang, P., Wang, C., Huang, Y., & Wu, M. (2019). Structure and properties of cellulose nanofibrils. Nanocellulose: From Fundamentals to Advanced Materials. pp. 53-80.
13.de Amorim, J. D. P., de Souza, K. C., Duarte, C. R., da Silva Duarte, I., Ribeiro, F. D. A. S., Silva, G. S., ... & Sarubbo, L. A. (2020). Plant and bacterial nanocellulose: Production, properties, and applications in medicine, food, cosmetics, electronics, and engineering. A review. Environmental Chemistry Letters. 18 (3), 851-869.
14.Sehaqui, H., Ezekiel Mushi, N., Morimune, S., Salajkova, M., Nishino, T., & Berglund, L. A. (2012). Cellulose nanofiber orientation in nano paper and nanocomposites by cold drawing. ACS Applied Materials and Interfaces. 4 (2), 1043-1049.
15.Parveen, S., Pichandi, S., Goswami, P., & Rana, S. (2020). Novel glass fiber reinforced hierarchical composites with improved interfacial, mechanical, and dynamic mechanical properties developed using cellulose microcrystals. Materials and Design. 188, 108448.
16.Segal, L. G. J. M. A., Creely, J. J., Martin Jr, A. E., & Conrad, C. M. (1959). An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research J.
29 (10), 786-794.
17.Berari Kordabi, M., Yousefi, H., & Khazaeeian, A. (2017). Production of nanocellulose aerogel with freeze-dryer and its investigation and characteristics. Master thesis. Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources. 48p. [In Persian]
18.Bhagat, S., & Verma, P. K. (2013). Effect of filler parameter on the morphology of graphite filled epoxy composites. International J. of Scientific and Engineering Research, 4 (4), 459.
19.Yu, T., Soomro, S. A., Huang, F., Wei, W., Wang, B., Zhou, Z., & Hui, D. (2020). Naturally or artificially constructed nanocellulose architectures for epoxy composites: review. Nanotechnology Reviews. 9 (1), 1643-1659.
20.Hu, W., Chen, S., Yang, Z., Liu, L., & Wang, H. (2011). Flexible electrically conductive nanocomposite membrane based on bacterial cellulose and polyaniline. The J. of physical chemistry B. 115 (26), 8453-8457.
21.Kumar, S., Falzon, B. G., Kun, J., Wilson, E., Graninger, G., & Hawkins, S. C. (2020). High-performance multiscale glass fiber epoxy composites integrated with cellulose nanocrystals for advanced structural applications. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 131, 105801.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 31، شماره 2
تیر 1403
صفحه 1-16

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار