تهیه و مشخصه یابی فیلم های بیوکامپوزیت پلی (وینیل الکل) تقویت شده با لیگنین استخراج شده از کاه گندم و نانو الیاف سلولزی

تهیه و مشخصه یابی فیلم های بیوکامپوزیت پلی (وینیل الکل) تقویت شده با لیگنین استخراج شده از کاه گندم و نانو الیاف سلولزی
محور پژوهش
محیط زیست
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی شیمی
حوزه پژوهش
بازیافت پسماندهای کشاورزی
عنوان
تهیه و مشخصه یابی فیلم های بیوکامپوزیت پلی (وینیل الکل) تقویت شده با لیگنین استخراج شده از کاه گندم و نانو الیاف سلولزی
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: امروزه پلیمرها به گونه های مختلف پلاستیک ها، لاستیک ها، الیاف و رزین در دسترس هستند و کاربردهای مختلف در زندگی روزمره و صنایع پیشرفته ی نظامی، الکترونیک، درمانی و غذایی دارند. یکی از مهم ترین کاربردهای پلیمرها، ساخت فیلم بسته بندی است. اغلب پلیمرهای مورد استفاده در این زمینه، از مواد اولیه ی برپایه ی سوخت های فسیلی تهیه می گردند. این دسته از محصولات پلیمری، زیست تخریب پذیر نیستند و بازیافت آن ها، نیازمند هزینه ی زیاد و تجهیزات پیشرفته است. هم چنین، بهره برداری بیش از حد از منابع تمام شدنی نفت خام و گاز، سبب ایجاد آلودگی های زیست محیطی و نوسانات اقتصادی در کشورهای متکی بر صادرات سوخت های فسیلی شده است. بنابراین، یافتن جایگزین های مناسب برای این دسته از محصولات پلیمری سنتزی، امری ضروری به حساب می آید. در میان پلیمرهایی که در عرصه ی فیلم سازی کاربرد دارند، پلی (وینیل الکل) (PVA)، به عنوان یک پلیمر زیست تخریب پذیر و قابل حل در آب مطرح می گردد که از خاصیت عالی فیلم شوندگی و شفافیت بالا برخوردار است. به همین دلیل، جایگاه ویژه ای در بین پژوهشگران حوزه ی ساخت فیلم های پلیمری دارد. با این وجود، فیلم های PVA دارای 4 مشکل اصلی هستند: 1) عدم مقاومت در برابر تابش فرابنفش، 2) جذب آب بالا، 3) کمبود انعطاف پذیری و 4) نرخ پایین زیست تخریب پذیری. برای رفع و یا بهبود مشکلات بیان شده، می توان از دانش مهندسی کامپوزیت بهره برداری نمود. اگر مواد تقویت کننده ی افزودنی به ماتریس PVA، پلیمرهای طبیعی استخراج شده از زیست توده ی ضایعات کشاورزی نظیر کاه گندم باشد، در این صورت محصول تهیه شده بیوکامپوزیت نامیده خواهد شد. کاه گندم، به عنوان یک منبع ارزان، در دسترس و تجدیدپذیر، حاوی دو پلیمر ارزشمند سلولز و لیگنین است. سلولز، از امکان تبدیل به بیوسوخت و سایر مشتقات سلولزی برخوردار است. لیگنین پلیمری آروماتیک است که خواص جذب فرابنفش، ضد اکسایشی، ضد باکتریایی و تقویت کنندگی دارد. به همین جهت، یک گزینه ی مناسب برای ترکیب با PVA محسوب می شود. به طور کلی، کاربردهای لیگنین عبارت اند از: 1) ماده ی اولیه برای تولید ترکیبات فنولی و چسب های برپایه ی فنول مورد استفاده در محصولات چوبی، 2) تولید ترکیبات کربنی مانند الیاف کربن، کربن فعال و دیگر ترکیبات کربنی متخلخل، 3) افزودنی تقویت کننده در آسفالت، بتن و پنل های سیمانی، 4) استفاده در سلول های خورشیدی، باتری های یونی و خاذن ها، 5) ترکیب با پلی اولفین ها، پلی یورتان، PET، PEO و رزین ها، 6) تولید منسوجات ضد میکروبی نظیر ماسک های تنفسی و پوشش زخم، 7) ایجاد خاصیت تاخیر شعله در PU، ABS و رزین اپوکسی، 8) تولید مستقیم گرما و برق از طریق سوزاندن، 9) تولید وانیلین، DMSO، آلدهیدها و اسیدها، 10) تولید بنزن، تولوئن و زایلن (BTX)، 11) استفاده در چاپ سه بعدی به عنوان ماده ی اولیه رزین، 12) تولید نانو ذره برای کاربردهای دارو رسانی و جذب یون های فلزی از پساب ها، 13) تولید گرما و انرژی از طریق سوزاندن مستقیم. در چند سال اخیر، دانش مهندسی کامپوزیت وارد عرصه ی ساخت محصولات پلیمری سه جزیی شده است. در این راستا، به منظور تقویت بیش تر فیلم های بیوکامپوزیت دو جزئی PVA و لیگنین، از مواد تقویت کننده ی پلیمری با هندسه ی لیفی شکل، از جمله نانوالیاف سلولزی استفاده می شود. ویژگی های منحصر به فرد مواد در ابعاد نانومتر، از جمله مساحت سطح زیاد و وجود گروه های عاملی در سطح این مواد، سبب ایجاد خواص تقویت کنندگی مکانیکی و فیزیکی می گردد. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها بخش استخراج لیگنین تجهیزات مورد نیاز: یک واکنشگاه از آلیاژ فلزی با حجم 500 میلی لیتر مجهز به فشار سنج و یک حمام روغن جهت گرمادهی به واکنشگاه تا 180 درجه ی سانتی گراد. حلال مورد استفاده جهت استخراج لیگنین: محلول اتانول در آب با غلظت 50 درصد حجمی، به عنوان یک حلال سبز و بدون آلایندگی که امکان تقطیر و بازیابی مجدد آن از آب بعد از استخراج لیگنین وجود دارد. یک دستگاه سانتریفیوژ با توان 4000 دور در دقیقه جهت ته نشینی لیگنین در محلول رقیق شده ی اتانول. بخش کامپوزیت سازی یک دستگاه تولید کننده ی امواج فراصوت با قدرت 400 وات و فرکانس 20 کیلوهرتز به منظور تولید نانوذرات لیگنین در آب. پلی (وینیل الکل) با گرید صنعتی (درجه ی هیدرولیز بین 80-90 درصد) و نانو الیاف سلولزی تجاری. برتری های پژوهش نسبت به پژوهش های گذشته در این پژوهش، استخراج لیگنین در دمای نسبتاً پایین 180 درجه ی سانتی گراد انجام گردید که با توجه به این که نسبت به پژوهش های قبلی، بازده استخراج قابل رقابت بوده است، لذا سبب کاهش مصرف انرژی و افزایش سوددهی نیروگاه استخراج لیگنین خواهد شد. در مسیر پژوهش، بستر اصلی استخراج لیگنین و تولید فیلم، بر پایه ی آب است و از هیچ گونه حلال سمی و گران قیمت استفاده نشده است. هم چنین، تولید نانو ذرات لیگنین و نیز، ترکیب آن ها با PVA، تنها به کمک امواج فراصوت و به مدت زمان 30 دقیقه بوده است که نسبت به سوابق پژوهشی موجود، به لحاظ مصرف انرژی بسیار به صرفه محسوب می گردد و قدمی موثر در صنعتی شدن پژوهش می باشد. فیلم های پلیمری تهیه شده در این پژوهش دارای خواص برجسته از جمله: جذب کامل تابش فرابنفش، مقاومت بیش تر سطح فیلم ها در برابر آب، استحکام مکانیکی بالا جهت آسیب ندیدن در مراحل مختلف از کارخانه تا مصرف و نیز، نرخ بالای زیست تخریب پذیری در خاک هستند. به طور کلی، در انجام پژوهش، به تجهیزات گران قیمت و مواد شیمیایی سمی یا آلاینده نیاز نمی باشد. مزیت های اجتماعی و نگاه آتی به پژوهش ایجاد نیروگاه ها و صنایع متکی بر منابع غیر نفتی نظیر زیست توده ی غیرچوبی کاه گندم سبب ایجاد رونق در مسیر شکوفایی استعداد نیروی انسانی متخصص و در نتیجه، سایر ابعاد زندگی فردی و اجتماعی کشور می گردد. بدون شک، در یک بازه ی زمانی 10 ساله، در جهان، اقدامات جدی در جهت استفاده از انرژی پاک و نیز محصولات دوست دار محیط زیست انجام خواهد شد. آب، باد، نور خورشید و زیست توده از مهم ترین منابع تولید انرژی پاک هستند که کشور ایران از منابع یاد شده برخوردار است. بنابراین، اتخاذ تدابیری جهت بهره برداری از این منابع، یک امر ضروری و آینده ساز محسوب می گردد. تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط: