مقایسة خواص فیزیکی‌ـ‌شیمیایی نانوالیاف سلولزی جدا‌شده از ساقه و پوست کنف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران

2 دانشیار گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکدة جنگل‌داری و فنّاوری چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران

4 ؛ استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدة منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج، ایران؛ و استاد انستیتو جنگل و فرآورده‌های جنگلی (INTROP)، دانشگاه پوترا (UPM)، مالزی

چکیده

در این تحقیق، خواص فیزیکی و شیمیایی نانوالیاف سلولزی حاصل از ساقه و پوست کنف با استفاده از تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف‌سنجی ((FTIR، آنالیز توزین حرارتی (TGA)، و پراش پرتو (XRD) X بررسی شد. بدین‌منظور، با انجام تیمارهای شیمیایی‌ـ‌مکانیکی، نانوالیاف سلولزی الیاف ساقه و پوست کنف جداسازی شد. روش تولید خمیرکاغذ بر پایة فرایند سودا‌ـ‌آنتراکینون همراه با یک فرایند رنگ‌بری سه‌مرحله‌‌ای به‌عنوان تیمار شیمیایی و عملیات پالایش، خردکردن در نیتروژن مایع، و هموژنیزه‌کردن الیاف تحت فشار بالا به‌ عنوان تیمار مکانیکی به‌کار گرفته شد. سپس، ابعاد و مورفولوژی نانوالیاف حاصله با استفاده از TEM بررسی شد. نتایج به‌‌دست‌آمده نشان داد قطر نانوالیاف حاصل از پوست کنف ضخیم‌تر از نانوالیاف به‌‌دست‌آمده از ساقة کنف است؛ در حالی ‌‌که میانگین طول هر دو نوع نانوالیاف حاصل بالغ بر چندین میکرون و تقریباً برابر بود. نتایج حاصل از بررسی نانوالیاف ساقه و پوست با استفاده از اشعة مادون قرمز نشان داد گروه‌های فعال موجود در هر دو نوع نانوالیاف شبیه بوده و اختلاف معنی‌‌داری بین آن‌ها مشاهده نمی‌‌شود. آنالیز حرارتی نانوالیاف جدا‌شده از پوست و ساقة کنف نشان داد پایداری حرارتی نانوالیاف حاصل از پوست به‌‌مراتب بیشتر از نانوالیاف استخراج‌شده از ساقه است. همچنین، اشعة ایکس به‌‌خوبی نشان داد تیمارهای شیمیایی‌ـ‌مکانیکی به‌‌کار‌گرفته‌شده در این تحقیق موجب افزایش درصد کریستالیتة نانوالیاف شده است؛ به‌‌طوری که درصد کریستالیتة نانوالیاف حاصل از پوست کنف در حدود 81 درصد، و مقدار آن برای نانوالیاف حاصل از ساقة کنف در حدود 63 درصد بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison between the Chemical-physical Characteristics of Kenaf Bast and Stem Nanofibers

نویسندگان [English]

  • Mehdi Jonoobi 1
  • Ahmad reza Saraeyan 2
  • Yahya Hamzeh 3
  • Ali Naghi Karimi 4
1 Assistant Professor, Department of Wood and Paper Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Kataj, I.R. Iran
2 Associate Professor, Deapetement of Pulp and Paper Industries, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, I.R. Iran
3 Associate Professor, Department of Wood and Paper Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Kataj, I.R. Iran
4 Professor, Department of Wood and Paper Sciences and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Kataj, I.R. Iran and Professor, Institute of Tropical Forestry & Forest Products (INTROP), University Putra (UPM), Malaysia
چکیده [English]

In the present study, chemical-physical properties of nanofibers isolated from whole kenaf stem and
kenaf bast fibers were characterized by Transmission Electron Microscope (TEM), Fourier Transform
Infrared (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), and X-ray Diffraction (XRD) analysis. The
isolation was done using chemo-mechanical processing where the chemical methods were based on
NaOH-AQ (anthraquinone) and three-stage bleaching (DEpD) processes. The mechanical techniques
involved refining, cryo-crushing and high-pressure homogenization. Microscopy study showed that
the diameter range of isolated nanofibers from kenaf stem was finer than kenaf bast nanofibers, while
their length was similar and in the micrometer range. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)
study demonstrated that the functional groups for both nanofibers were almost the same and no
significant differences were observed. The results from thermo-gravimetric analysis showed a better
thermal stability for kenaf bast nanofibers compared to the kenaf stem nanofibers. X-ray analysis
revealed that the crystallinity of the studied nanofibers was increased after the chemo-mechanical
isolation process. In addition, the crystallinity was 81% and 63% for kenaf bast and kenaf stem
nanofibers, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cellulose Nanofiber
  • crystallinity degree
  • kenaf
  • Thermal properties
[1]. Jonoobi, M., Harun, J., Shakeri, A., Misra, M., and Oksman, K. (2009). Chemical composition, crystallinity, and thermal degradation of bleached and unbleached kenaf (Hibiscus cannabinus) pulp and nanofibers. BioRessources, 4: 626-639.

[2]. Jonoobi, M., Harun, J., Tahir, P.Md., Shakeri, A., SaifulAzry, S., and Davoodi, M.M. (2010). Physicochemical characterization of kenaf stem fibers. Material Letters, 65: 1098-1100.

[3]. Jonoobi, M., Khazaeian, A., Tahir, P.Md., SaifulAzry, S., and Oksman, K. (2011). Characteristics of cellulose nanofibers isolated from rubberwood and empty fruit bunches of oil palm using chemo-mechanical process. Cellulose, 18: 1085-1095.

[4]. Jonoobi, M., Mathew, A.P., and Oksman, K. (2009). Produsing low-cost cellulose nanofiber from sludge as new source of raw materials. Industrial Crops and Products, 40: 232-238.

[5]. Jonoobi, M., Harun, J., Mathew, A.P., and Oksman, K. (2010). Mechanical properties of cellulose nanofiber (CNF) reinforced polylactic acid (PLA) prepared by twin screw extrusion. Composites Science and Technology, 70: 1742–1747.

[6]. Jonoobi, M., Mathew, A.P., Abdi, M.M., Davoodi, M.M, and Oksman, K. (2012). A comparison of modified and unmodified cellulose nanofiber reinforced polylactic acid (PLA) prepared by twin screw extrusion. Journal of Polymers and the Environment, 20: 991-997.

[7]. Herrick, F.W., Casebier, R.L., Hamilton, J.K., and Sandberg, K.R. (1983). Micro-fibrillated cellulose: Morphology and accessibility. Journal of Applied Polymer Science, 37: 797-813.

[8]. Chakraborty, A., Sain, M., and Kortschot, M. (2005). Cellulose microfibrils: A novel method of preparation using high shear refining and cryocrushing. Holzforschung, 59: 102-107.

[9]. Jonoobi, M., Harun, J., Mathew, A.P., Hussein, M.Z.B., and Oksman, K. (2010). Preparation of cellulose nanofibers with hydrophobic surface characteristics. Cellulose, 17: 299–307.

[10]. Hubbe, M.A., Rojas, O.J., Lucia, L.A., and Sain, M. (2008). Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioRessourcess, 3:929-980.

[11]. Kamel, S. (2007). Nanotechnology and its applications in lignocellulosic composites, a mini review. eXPRESS Polymer Letters, 1: 546–575.

[12]. Liu, W., Drzal, L.T., Mohanty, A.K., and Misra, M. (2007). Influence of processing methods and fiber length on physical properties of kenaf fiber reinforced soy based biocomposites. Composites Part B, 38: 352-359.

[13]. Ochi, S. (2008). Mechanical properties of kenaf fibers and kenaf/PLA composites. Mechanics of Materials, 40:446-452.

[14]. Wise, L.D, Murphy, M., and D'Addiego, A.A. (1946). Chlorite holocellulose, its fractionation and bearing on summative wood analysis and on studies on hemicellulose. Paper Trade Journal, 112:35-43.

[15]. Segal, L., Creely, L., Martin, A.E., and Conrad, C.M. (1959). An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using X-ray diffractometer. Textile Research Journal, 29: 786–794.

[16]. Khalil, H.P.A., Ismail, H., Rozman, H.D., and Ahmad, M.N. (2001). The effect of acetylation on interfacial shear strength between plant fiber and various matrices. European Polymer Journal, 37: 1037-1045.

[17]. Troedec, M., Sedan, D., Peyratout, C., Bonnet, J., Smith, A., Guinebretiere, R., Gloaguen, V., and Krausz, P. (2008). Influence of various chemical treatments on the composition and structure of hemp fibers. Composites Part A, 39: 514-522.

[18]. Nacos, M., Katapodis, P., Pappas, C., Daferera, D., Tarantilis, P.A., Christakopoulos, P., and Polissiou, M. (2006). Kenaf xylan-A source of biologically active acidic oligosaccharides. Carbohydrate Polymers, 66: 126-134.

[19]. Alemdar, A., and Sain, M. (2007). Isolation and characterization of nanofibers from agricultural residues – Wheat straw and soy hulls. Bioresource Technology, 99: 1664-1671.

[20]. Fisher, T., Hajaligol, M., Waymack, B., and Kellogg, D. (2002). Pyrolysis behaviour and kinetics of biomass derived materials. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2: 331-349.

[21]. Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D., and Zheng, C. (2007). Characteristics of hemicellulose, cellulose, and lignin pyrolysis. Fuel, 86: 1781-1788.