تهیه و مشخصه‌یابی میکرو/نانوالیاف سلولوزی از پسماندهای کشاورزی با روش آسیاب گلوله‌ای و اصلاح آن‌ها با پلیمرها

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمریزاسیون

چکیده

فرضیه‌ها: آسیاب گلوله‌ای روش مؤثری به‌منظور تهیه میکرو/نانوالیاف است. میکرو/نانوالیاف سلولوزی (CMFs/CNFs) تهیه‌شده از ضایعات کشاورزی (پوسته برنج و کاه ذرت) می‌توانند با روش‌های سازگار با محیط‌زیست و فرایندهای مکانیکی-شیمیایی به‌عنوان مواد پایه برای تولید کامپوزیت‌های پلیمری با خواص بهبودیافته استفاده شوند. انتظار می‌رو، اصلاح شیمیایی این الیاف با پلیمرها، به ارتقای پایداری گرمایی و عملکردی آن‌ها منجر شود.
روش‌ها: استخراج سلولوز از پوسته برنج (RH) و کاه ذرت (CS) با روشی سبز و بدون حلال‌های آلی، انجام شد و سپس تأیید خلوص آن با طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) و پراش پرتو X انجام شد. تولید CMFs/CNFs با آسیاب گلوله‌ای و بررسی اثر زمان آسیاب (۱ تا ۵ ساعت) و منبع سلولوز بر قطر الیاف انجام شد. شکل‌شناسی الیاف سلولوز تهیه‌شده به کمک میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) بررسی شد. اصلاح شیمیایی الیاف سلولوز تهیه‌شده با سه پلیمر آب‌دوست پلی(آکریل آمید) (PAAm)، پلی(۲-آکریل آمیدو-۲-متیل-۱-پروپان سولفونیک اسید) (PAMPS) و پلی(دی‌آلیل دی‌متیل‌آمونیوم کلرید) (PDADMAC) با ترکیبات مختلف، به روش پلیمرشدن درجا، انجام شد. ساختار شیمیایی پلیمرهای سنتزشده به‌کمک طیف‌سنجی FTIR و آزمون رزونانس مغناطیسی هسته هیدروژن (1H-NMR)  بررسی شد. سنجش پایداری گرمایی کامپوزیت‌ها به‌کمک  گرماوزن‌سنجی (TGA) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج آزمون FTIR استخراج موفقیت‌آمیز سلولوز را تأیید کرد. شاخص بلورش سلولوز استخراج‌شده از کاه ذرت (۶۲%) بیشتر از پوسته برنج (۵۵%) بود. نانوالیاف تولید‌شده از کاه ذرت پس از۵h آسیاب به میانگین قطر۱۰۶nm رسیدند. نتایج آزمون‌های FT-IR و 1H-NMR اصلاح شیمیایی موفقیت‌آمیز الیاف سلولوز را تأیید کردند. اصلاح شیمیایی الیاف سلولوز تهیه‌شده با
کوپلیمر P(AAm-co-AMPS-co-DADMAC) پایداری گرمایی الیاف را از ۲۴۰ به ۳۲۰ درجه سلسیوس افزایش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Preparation and Characterization of Cellulose Microfibers/Nanofibers from Agricultural Wastes via Ball Milling Method and their Modification with Polymers

نویسندگان [English]

  • Nima Mahmoudi-Esfandarani
  • Maral Ghahramani
  • Mahdi Abdollahi
Polymer Reaction Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University Tehran
چکیده [English]

Hypothesis: Since naturally hydrophobic surface of polystyrene (PS) substrate is unsuitable for cell adhesion, grafting hydrophilic and biocompatible poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) chains through surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) can alter the surface properties and enhance the cell behavior
Methods: Hydroxyl functional groups were introduced through ultraviolet/ozone (UVO) irradiation at a distance of 3 cm. Next, an initiator layer was deposited on the surface, which facilitated PHEMA grafting via SI-ATRP, conducted across various polymerization durations (2, 4, and 6 h)
Findings: The intensity of carbonyl and hydroxyl peaks in ATR-FTIR spectra increased with increasing UVO irradiation time up to 15 min, where water contact angle (WCA) was about 12°. WCA of PHEMA-modified surface decreased from 56 to 48° as polymerization time increased from 2 to 6 h, and the peaks related to hydroxyl and carbonyl groups in ATR-FTIR analysis became stronger. A thin and relatively uniform PHEMA layer with a thickness of about 90-110 nm was observed for the PS substrate pretreated for 15 min and subsequently polymerized with HEMA for 6 h 
NIH3T3 cell viability on PHEMA-modified surfaces at polymerization times of 2, 4 and 6 h, with a pretreatment for 15 min, was 300, 250 and 225%, respectively. The cell-covered area percentages of the pristine and the PHEMA-modified PS surfaces at polymerization times of 2 and 6 h were 27%, 75%, and 62%, respectively. Most cells on the virgin PS surface exhibited a flat morphology, while a smaller subset displayed a spindle-shaped form. On the modified surfaces, the cells had a spherical shape differed from the natural shape of fibroblast cells. However, cell alignment on the modified surfaces was different from the natural alignment of cells on tissue culture PS dishes, being elongated and spindle-shaped.

کلیدواژه‌ها [English]

  • cellulose
  • nanofiber
  • microfiber
  • ball mill
  • composite