Transcript دانلود
کارگاه آموزشی نانوفناوری مواد لیگنوسلولزی دکتر ربیع بهروز گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ دانشگاه تربیت مدرس [email protected] فناوری نانو و مواد لیگنوسلولزی جايگزيني پليمرهاي بر پايه نفت با جايگزين هاي سبز دفن و يا سوزاندن بخش عمده اي از پالستيكها دور ریزی ساالنه بيش از 10ميليون تن پالستيك در امريكا و اروپا توليد گازهاي خطرناك و الودگي شديد محيط زيست بواسطه سوزندان انها توجه به مسائل زيست محيطي -محدوديت در منابع فسيلي موضوع مهم تحقيقاتي تحقيق در مورد مواد پليمري جديد و فرايندهاي توليدي پايدار از منابع تجديد شونده جايگزيني پالستيك هاي بر پايه نفت با پالستيك هاي زيست تخريب پذير ()Green generation موانع هزينه هاي توليد باال -عدم شناخت و قبول كلي مصرف كننده ها -عدم وجود استانداردهاي مناسب جهت بررسي و تاييد اين پليمرهاي زيست تخريبي پذير زيست توده جنگلي ذخيره (منبع) مهمي از مواد غني از كربن است كه پتانسيل استفاده به عنوان ماده اوليه براي طيف گسترده اي از محصوالت صنعتي و روزمره از كاغذ تا الوار و مواد شيمياي ي تا سوخت و مواد پيشرفته از قبيل پليمرهاي زيست تخريب پذير را دارد. زيست توده لیگنوسلولزي فراوانترين منبع ماده الي تجديد شونده در روي زمين مقادير زیاد مواد لیگنوسلولزي توجه به پااليش زيستي به منظور فراوري سه پليمر سلولز ،همی سلولز و لیگنین توسعه روشهاي بيوتكنولوژيكي -توسعه تكنيكهاي پيش تيمار و جداسازي بيوريفاینری فراورده هاي لیگنوسلولزی استراتژی توليد انواع مواد شيمياي ي و پلي مري تولید شونده از منابع نفتي تمركز مصارف صنعتي و كاربردهاي مواد ليگنوسلولزي در قرن نوزده و اوايل قرن بيستم توليد خميروكاغذ از چوب مشتقات سلولزي ،ويسكوز و ديگر الياف سنتزي بر پايه سلولزتوليد قند از چوب و مايع سازي چوبتوليد وانيلين از لیگنین نيتراسيون سلولز (مواد منفجره)-تولید فورفورال و نایلون اصول: -1ماده اوليه لیگنوسلولزي ماده خامي است که در هر واحد بايد به طور كامل تبديل شود -2همه تركيبات مواد لیگنوسلولزي (سلولز ،همي سلولز و لیگنین) داراي ارزش ويژه اي هستند و بنابراين بايد در يك فرايند مجتمع و همه جانبه تيمار شوند مشكل :تخريب يا تغيير ساختمانی در حین تبدیل مواد لیگنوسلولزي به تركيبات تشكيل دهنده ان ماده ليگنوسلولزي يك زيست توده است كه ً اساسا شامل تركي ب پييي ده اي از دو س اختار كربوهي درات (س لولز و هم ي س لولز) و لیگنین فنلي است. بس ته ب ه فراين دهاي جداس ازی م اده ليگنوس لولزي ب ه زي ر مجموع ه ه اي ي چ ون س لولز ،هم ي س لولز (پل ي اوزه ا) ،ليگن ين ،م واد استخراجي و مواد معدني تقسيم میگردد ماده ليگنوسلولزي شامل 60تا 85درصد كربوهيدرات اساسا پلي ساكاريدهای خطي و شاخه دار سلولز بخش اصلي ديواره سلولي و به همراه همی سلولز به عنوان ماده اسكلتی پلي ساكاريدي غير شاخه دار ،غير قابل حل در اب شامل از چند صد تا چند هزار ملكول بتا-گلوكز با تركيب ()C5H10O5 سلوبيوز ( )C12H22O11شامل دو ملكول گلوكز است که واحد تکرار در زنجیره سلولزی محسوب می شود سلولز فراوانترين بيوپلیمر ساخته شده توسط طبيعت است با حدود 1011تن توليد در سال به طور متوسط يك درخت در هر روز 14گرم سلولز توليد مي كند. همي سلولز ها ( به يوناني همي يعني نيم ) يا پسود و سلولزها در ادبيات الماني پلي اوزها هم ناميده مي شوند .نام همي سلولز به كليه پلي ساكاريدهاي بر پايه هگزوزان هاي پلي مري توليد شده از انواع مونومرهاي ي مانند گلوكز ،مانوز و گاالك توز و/يا پلي مرهاي پنتوزان بر پايه مونومرهای ي همانند ارابينوز يا زايلوز اطالق می شود همي سلولزها به همراه سلولز و پك تين به كربوهيدراتهاي ساختاري معروف هستند. Chaine de glucomannane Chaine de xylane HOH2C OH O O Lignine H O CH2OH O CH H OH H H2C OH Lignine CH2 CH O O H )(B H )(A O O Lignine Chaine de xylane Lignine H2C H2C O )(D O HOH2C H OH H O O O OH C O O CH OH Chaine de glucomannane OH HOH2C O )(C لیگنین به شبكه پلي مري امورف ،ترموپالستيك و سه بعدي اطالق مي شود كه بر پايه واحدهاي فنيل پروپان (مونومرهاي اروماتيكي) و در ديواره سلولي گياهان وجود دارند .تقريبا 20تا 30درصد مواد جامد گياهان ليگنيني شده را لیگنین تشكيل مي دهد .ساختار شيمياي ي لیگنین شامل واحدهاي فنيل پروپان اروماتيكي هستند كه شامل پاراكوماریل الكل ،پارا کونیفریل الکل و پارا سيناپيل الكل است. ساختار ليگن ين در په ن برگ ان و س وزني از نظ ر واح دهاي الكل ي متف اوت اس ت .واح دهاي فنل ي (الكل ي) از طريق اتصاالت اتري و كربن-كربن به يكديگر متصل هستند. میزان سلولز ،همي سلولز و ليگنین از يك گياه به گياه دیگر و همينين بين گونه ها متفاوت است ميزان لیگنین سوزني برگان بيشتر از پهن برگان ميزان همي سلولز پهن برگان و سوزني برگان تقريبا مشابه است -ميزان سلولز پهن برگان بيشتر از سوزني برگان است سلولز فراوانترین پلیمر طبیعی روی کره زمین دارای موارد استفاده و کاربردهای فراوان در گذشته ،حال و اینده منابع سلولز در طبیعت گیاهی چوب :دارای بیشترین استفاده از این منبع سلولزی به شکل چوب (کلمه Materialدر واقع در التین به معنی تنه درخت ( )Trunk of treeمشتق شده است دیگرگیاهان سلولزی Cotton ،Ramie ،Jute ،Flax ،Hemp :و ... غیر گیاهی سلولز تولید شده توسط باک تری ()Acetobacter xylinum سلولز تولید شده توسط )Micrcosmus fulcatus( Tunicate سطح ملکولی :زنجیره های خطی متشکل از واحدهای گلوکزی(کریستال) سطح فوق ملکولی (میکروفیبریل) -سطح مرفولوژیکی (الیاف) سطوح ساختاری سلولز Fibers Microfibrils Cellulosic chains سلولز يكي از موادي است كه به دليل داشتن ويژگي هاي ي چون ،ساختار ميكروفيبريلي در ابعاد نانو ،مصرف انرژي پايين در فرايند توليد ،فراواني در طبيعت ،قيمت پايين و قابليت تجديد شوندگي گزينه مناسبي براي تهيه مواد نانو ميباشد ( Wegnerو همكاران.)2006 ، واحد های پیوند های -D-βگلوکوپیرانوز ( )1→4گلیکوزیدی هومو پلی ساکارید سلولز تمایل شدید برای تشکیل پیوند هیدروژنی بین مولکولی کامال خطی افزایش کارای ی مواد لیگنوسلولزی با استفاده از فن اوري نانومي توان مواد را به اجزا كوچك تا حد يك ميلياردم متر تقسيم كرد .با توليد ساختارهاي ي در مقياس نانومتر امكان بهره مندی از ویژگی های خاص فیزیکی ،شیمیای ی و مکانیکی ذرات وجود دارد .بنابراين استفاده از اين فن اوري به محصوالت و تكنولوژي هاي جديد با كاراي ي باال منتهي مي شود ایجاد ترکیبات ساختاری سازمان دهی شده با ویژگی های منحصر بفرد شکست ساختار الیاف لیگنوسلولزی تا حد عناصر سازمانی ملکولی و اولیه Top-down )(Deconstruction Bottom-up )(Construction ایجاد نانو ذرات منابع سلولزی منابع گیاهی چوب :چوب خام ،خمیر رنگ بری شده ،سلولز بازیابی شده -محصوالت جانبی کشاورزی :ساقه گندم ،کلم،کنف ،پنبه ،سیب زمینی،ک تان ،چغندر قند ،سیزال منابع غیرگیاهی سلولز حیوانی :موجود زنده دریای ی ()Tunicate -سلولز میکروبی :گونه استو باک تر درحضور ماده مغذی سلولز تولید می کند معایب نانو سلولز مزایای نانو سلولز زیست تخریب پذیری سطح ویژه حدود 575متر مربع در هر گرم دارای قابلیت تجدید شوندگی فراوان(صد بیلیون تن در سال)؛ مزایای نانو سلولز قیمت پایین ماده اولیه ضریب الغری باال نیاز به اصالح سطحی برای امتزاج با پلیمرهای غیر قطبی معایب نانو سلولز مقاومت ویژه باال فعالیت شیمیایی سطجی باال(به دلیل گروه های هیدروکسیل سطحی زیاد)؛ استخراج زمان بر و هزینه بر از منابع با توجه به روش های موجود