لطفا اطلاعات خود را وارد کنید
اطلاعات شما با موفقیت ثبت شد. لطفا کد تأیید را وارد کنید.
اطلاعات شما با موفقیت تأیید شد.
دانلود کاتالوگ
یک روند نوظهور در علوم مواد، ترکیب خمیرکاغذ (سلولز) با رزین اکریلیک پایهآب برای تولید کامپوزیتهای زیستپایه و سازگار با محیطزیست است. رزینهای اکریلیک پایهآب نیز بهدلیل نداشتن حلالهای آلی فرّار و سمیت کمتر، به عنوان چسب یا بایندر دوستدار محیطزیست کاربرد گستردهای دارند. پیوند دادن این دو ماده میتواند خواص مکانیکی مطلوب الیاف سلولزی (مانند استحکام و سبکی) را با ویژگیهای چسبندگی و تشکیل فیلم رزین اکریلیک ترکیب کند. بنابراین محققان در سالهای اخیر بهدنبال توسعه کامپوزیتهای سلولز-پلیمر اکریلیک بودهاند که ضمن کاهش استفاده از مواد مضر، کارایی بالایی داشته باشند. این تلاشها همراستا با روند کلی حرکت بهسوی مواد پایدار و زیستتخریبپذیر است که در مجامع علمی و صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
چالش اصلی در راه ساخت این کامپوزیتها، ناسازگاری شیمیایی بین دو جزء است. سلولز ماهیتی شدیداً آبدوست دارد، در حالیکه پلیمرهای آکریلیک اغلب تا حدی آبگریز هستند. این تفاوت باعث میشود پیوند میان الیاف سلولزی و ماتریس رزینی چندان محکم نباشد و الیاف بهصورت یکنواخت در رزین پخش نشوند. نتیجهی چنین «واسط نامناسبی» افت استحکام مکانیکی و ایجاد نقصهای ریز (میکروحفرهها) در ساختار کامپوزیت است که حتی میتواند شفافیت نوری آن را تحت تأثیر قرار دهد.
مطالعات جدید برای این چالشها، راهکارهایی ارائه دادهاند. بهعنوان مثال، Zha و همکاران (2024) نشان دادند که با اصلاح سطح سلولز و بهبود واسط فیبر-پلیمر میتوان کامپوزیتی شفاف و مستحکم تولید کرد. در این پژوهش، آنها از مشتقی از سلولز بهنام کربوکسیمتیلسلولز (CMC) که با گروههای آبگریزِ آمونیوم چهارتایی اصلاح شده بود بهعنوان عامل سازگارکننده استفاده کردند. CMC اصلاحشده روی سطح الیاف هولوسلولز نشسته و آنها را تا حدی آبگریز کرد؛ سپس الیاف را در مونومر اکریلیک غوطهور کرده و با فرایند پلیمریزاسیون (پخت نوری) یک فیلم کامپوزیت نازک و شفاف ساختند. فیلم حاصله شفافیت نوری حدود ۸۷٪ (با کدری پایین ۴۳٪) داشت و در عین حال مدول یانگ آن به 7.6 گیگاپاسکال و استحکام کششیاش به 180 مگاپاسکال رسید که بالاتر از کامپوزیتهای متداول سلولزی است. این بهبود چشمگیر خواص مکانیکی نشان میدهد که با آبگریزکردن کنترلشدهی سطح سلولز میتوان مشکل عدمسازگاری را برطرف کرد و کامپوزیتهای سلولزی اکریلیکی را به گزینهای قابلرقابت برای کاربردهای فناورانه تبدیل نمود. به گفتهی محققان، این روش نسبت به اصلاحات شیمیایی کووالانسی خشن (مانند استیلاسیون یا گرافتکردن پلیمر روی سلولز) سادهتر و کمهزینهتر است و به الیاف آسیب کمتری میزند. بر این اساس، افق تازهای در توسعهی فیلمهای کامپوزیتی نازک، شفاف و مقاوم مبتنی بر سلولز گشوده شده است که قابلیت استفاده در کاربردهای پیشرفتهای نظیر سامانههای اپتوالکترونیک انعطافپذیر را دارا هستند. این دستاورد گواهی بر پتانسیل بالای ترکیب خمیرکاغذ و رزین اکریلیک در حوزه مواد پیشرفته است.
در حوزه مواد ساختمانی و تختههای فیبری نیز پژوهشها به استفاده از رزینهای اکریلیک پایهآب به جای چسبهای حاوی فرمالدهید معطوف شده است. چسبهای اورهفرمالدهید که در تختههای چوبی استفاده میشوند، بهمرور گاز فرمالدهید متصاعد میکنند که سرطانزا است. از اینرو پژوهشگران بهدنبال رزینهای چسبانندهی بدون فرمالدهید هستند که یکی از گزینههای جذاب، رزینهای اکریلیک امولسیونی است. برای مثال، Chiromito و همکاران (2022) با ترکیب درصد بالایی خمیرکاغذ چوب (الیاف سلولزی) و نانوالیاف سلولز با یک رزین اکریلیک پایهآب، کامپوزیتی مشابه تخته فیبر تولید کردند. در روش ابتکاری آنها، سوسپانسیون آبکی الیاف سلولز را مستقیماً با امولسیون پلیمر اکریلیک مخلوط کرده و با یک فرآیند همرسوبی (flocculation/coprecipitation) توانستند مخلوط الیاف-پلیمر را بهصورت ژل یکپارچه از آب جدا کنند. حاصل کار کامپوزیتی با درصدهای مختلف فیبر (حتی تا ۷۵٪ وزنی سلولز) بود که بعد از خشکشدن به صورت تخته سخت درآمد. مشاهدات ریزساختاری (SEM) نشان داد که الیاف در ماتریس پلیمری بهخوبی توزیع شده و کلوخه نشدهاند. این پراکندگی یکنواخت الیاف منجر به خواص مکانیکی مطلوبی شد و استحکام و مدول کامپوزیت افزایش یافت. نکته مهم دیگر قابلیت ترموفرمشدن این تختهها بود. چون رزین اکریلیک یک ترموپلاستیک است، تخته تولیدی را میتوانستند با حرارت مجدداً شکلدهی کنند، ویژگیای که تختههای معمول چوبی با چسب گرماسخت ندارند. به این ترتیب، تختههای ساختهشده هم دوستدار محیطزیست (عاری از فرمالدهید و با محتوای بالای الیاف زیستی) و هم از نظر فنی کاربردی و چندمنظوره بودند. چنین کامپوزیتهایی میتوانند در صنایع ساختمانی بهعنوان پانلها و تختههای زیستی به کار روند و حتی در صنایعی مانند خودروسازی برای قطعات داخلی قالبگیریشونده استفاده شوند. این دستاورد نشان میدهد ترکیب خمیرکاغذ با رزین اکریلیک صرفاً در مقیاس آزمایشگاهی نبوده و امکان انتقال به ساختارهای مهندسی بزرگمقیاس را نیز دارد.
در صنعت رنگ و پوشش نیز تلفیق نانوسلولز با رزینهای اکریلیک پایهآب توجه زیادی را به خود جلب کرده است. یک نمونه جذاب، استفاده از نانوالیاف سلولزی در رنگهای پوششی چوب جهت بهبود دوام و پایداری در برابر عوامل جوی است. Shimokawa و همکاران (2021) در پژوهشی نشان دادند افزودن تنها درصد کمی (%1–1.5 وزنی) از نانوالیاف سلولز (CNF) به یک رنگ آستری اکریلیک پایهآب، خواص آن را به طور قابل ملاحظهای ارتقا میدهد. در این مطالعه، CNF از خمیر چوب تهیه و به امولسیون رزین اکریلیک افزوده شد، سپس این ترکیب بهعنوان لایهی آستری شفاف روی سطح چوب اعمال گردید. نتایج حاکی از چند بهبود مهم بود. نخست آنکه استحکام مکانیکی پوشش افزایش یافت و مقاومت به ترکخوردگی آن بیشتر شد. آزمون کشش فیلم نشان داد حضور تنها 1.5٪ CNF استحکام کششی فیلم خشکشده را به طور محسوسی بالا میبرد و نانوالیاف مانند یک عامل تقویتکنندهی عالی عمل میکنند. دوم اینکه فیلم حاوی CNF ضخامت بیشتری برای همان مقدار مادهی خشک پیدا کرد که این به معنی تشکیل لایهای متراکمتر بود. این لایهی ضخیمتر و متراکمتر نقش موثری در کاهش نفوذپذیری اکسیژن و کاهش گذردهی پرتو UV ایفا کرد. اندازهگیریها نشان داد ضریب نفوذ اکسیژن کاهش یافته است، که این یعنی ورود اکسیژن به لایهی زیرین تقریباً به نصف رسید. همچنین عبور پرتو فرابنفش نیز در فیلم حاوی نانوالیاف بهمراتب کمتر از فیلم رزین خالص بود. این خواص موجب شد چوب پوشششده با لایهی حاوی CNF بسیار دیرتر دچار تغییر رنگ و پیرشدگی شود. در نمونههای چوب که تنها با رزین اکریلیک خالص پوشش شده بودند، تابش UV موجب تولید رادیکالهای فراوانی در لیگنین و زردشدگی محسوس سطح چوب شد؛ اما در نمونههایی که زیرلایهی حاوی CNF داشتند مقدار رادیکالهای تشکیلشده بهطور چشمگیری کمتر بود و رنگ چوب تثبیت شدبهاینترتیب، افزودن نانوالیاف سلولز به رزین اکریلیک توانست به عنوان یک سپر حفاظتی عمل کند و دوام پوشش شفاف روی چوب را در برابر نور و هوا افزایش دهد. این یافته برای صنایع رنگسازی بسیار ارزشمند است زیرا راهی برای تولید پوششهای بیرونی با عمر بیشتر و پایهآب (بدون حلال مضر) ارائه میکند.
با توجه به نمونههای موفقی چون کامپوزیتهای شفاف پیشرفته، تختههای زیستی و رنگهای نوین، این شواهد بهخوبی نشان میدهد که ترکیب خمیرکاغذ سلولزی با رزینهای اکریلیک پایهآب به یکی از حوزههای پرشتاب و پرمخاطب تحقیقاتی در سالهای اخیر تبدیل شده است. استفاده از سلولز بهعنوان جزئی از مواد پلیمری بهخاطر مزایای زیستمحیطی (کاهش وابستگی به مشتقات نفتی، قابلیت بازیافت و زیستتخریبپذیری) و بهبود کارایی (تقویت مکانیکی، ایجاد خواص سدگری گاز و رطوبتی و حتی افزودن کارکردهای فعال نظیر ضدUV یا جذب CO2) بهشدت مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه چالشهایی همچنان پابرجاست، از جمله دستیابی به سازگاری سطحی کامل میان پلیمر و الیاف بدون کاهش کیفیت الیاف و همچنین مسائل اقتصادی مربوط به تولید در مقیاس صنعتی، با این حال شواهد پژوهشی نشان میدهد که این موانع بهتدریج در حال برطرف شدن هستند و رویکردهای نوین در حوزهی شیمی سبز برای اصلاح ساختار سلولز و یکپارچهسازی مؤثر آن در رزینهای پایهآب توسعه یافتهاند. نتیجه این کوششها، ظهور نسل جدیدی از مواد کامپوزیتی است که میتواند نیاز صنایع را به مواد پایدار و ایمن برآورده کند. به بیان دیگر، خمیرکاغذ دیگر صرفاً ماده اولیه کاغذسازی نیست، بلکه در هیأت نانوالیاف و نانوکریستالهای سلولزی نقشی کلیدی در فناوریهای مواد ایفا میکند. رزینهای اکریلیک پایهآب نیز بهعنوان سامانههای اکریلیک پایهآب با انعطافپذیری فرمولاسیون و کم خطری فرآیند، بستری مناسب برای بهرهگیری از قابلیتهای ساختاری سلولز در صنعت کاغذ فراهم کردهاند. در نتیجه، همگرایی میان فناوری پلیمرهای اکریلیک و زیستمواد سلولزی چشماندازی نو در تولید کاغذهای عملکردی و زیستپذیر گشوده است؛ محصولاتی که افزون بر سازگاری با محیطزیست و سلامت انسان، ویژگیهای فنی قابل رقابت با نمونههای سنتزی را نیز ارائه میدهند.
منابع:
