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

10.22063/jipst.2025.35714.2395

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 (FT-IR) 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 FT-IR و آزمون رزونانس مغناطیسی هسته هیدروژن (1H-NMR)  بررسی شد. سنجش پایداری گرمایی کامپوزیت‌ها به‌کمک  گرماوزن‌سنجی (TGA) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج آزمون FT-IR 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 از ۵ ساعت آسیاب به میانگین قطر ۱۰۶ نانومتر 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]

Abstract:
Hypotheses: Ball milling is an effective method for producing micro/nanofibers. Cellulose micro/nanofibers (CMFs/CNFs) prepared from agricultural waste (rice husk and corn stover) can be used as base materials for producing polymer composites with enhanced properties through environmentally friendly and mechano-chemical processes. Chemical modification of these fibers with polymers is expected to improve their thermal stability and functional performance.
Methods: Cellulose was extracted from rice husk (RH) and corn stover (CS) using a green solvent-free method, with purity confirmed by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD). CMFs/CNFs were produced via ball milling, and the effects of milling time (1 to 5 hours) and cellulose source on fiber diameter were investigated. The morphology of the cellulose fibers has been investigated via scanning electron microscopy (SEM). Chemical modification of the prepared cellulose fibers was performed using three hydrophilic polymers—poly(acrylamide) (PAAm), poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPS), and poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) by in-situ polymerization with varying compositions. The chemical structure of the synthesized copolymers has been investigated via FT-IR and proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) spectroscopy. The thermal stability of the composites was assessed using thermogravimetric analysis (TGA).
Findings: FT-IR results confirmed the successful extraction of cellulose. The crystallinity index of extracted cellulose was higher for corn stover (62%) than for rice husk (55%). Nanofibers produced from corn stover reached an average diameter of 106 nm after 5 hours of the ball milling.
FT-IR and ¹H-NMR analyses verified the successful chemical modification of cellulose fibers. Chemical modification with the copolymer P(AAm-co-AMPS-co-DADMAC) enhanced the thermal stability of the cellulose fibers from 240 °C to 320 °C.
Keywords: cellulose, nanofiber, microfiber, ball mill, composite, thermal stability

کلیدواژه‌ها [English]

  • cellulose
  • nanofiber
  • microfiber
  • ball mill
  • composite