نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه پالایش زیستی، دانشکده مهندسی فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف:
 نانوفیبریل­ های سلولزی بصورت سوسپانسیون آبی با مقدار ماده جامد کم و ویسکوزیته بالا عرضه می­ شود که در اثر ماهیت به ­شدت هیدروفیلی فیبریل­ های سلولز می ­باشد. بدلیل هزینه ­های حمل بالا، توجه اصلی بر افزایش حداکثری مقدار ماده جامد خشک است که در عمل بدلیل تراکم غیرقابل برگشت پیوندهای هیدروژنی سلولز در زمان خشک کردن ممکن نمی­ باشد. این پدیده، استخوانی­ شدن نامیده می­ شود که متاثر از آن نانوفیبریل ­های سلولزی بعد از اینکه بطور کامل خشک شدند، در آب پراکنده نشده یا به سختی پراکنده می ­شوند. در پژوهش حاضر، روشی سازگار با محیط­زیست برای تهیه پودر خشک از نانوفیبریل­ های سلولزی با قابلیت بازپراکندگی در آب آزمون شده است که بر پایه جذب کربوکسی ­متیل ­سلولز می ­باشد.
مواد و روش­ها:
بدین منظور، جذب کربوکسی ­متیل ­سلولز بر روی سوسپانسیون نانوفیبریل ­های سلولزی در دماهای مختلف 22 (دمای محیط) و 121 درجه سانتی­گراد (اتوکلاو) مطالعه شد و مقدار آن بوسیله تیتراسیون هدایت ­سنجی اندازه­ گیری گردید. بعنوان جنبه نوآورانه پژوهش، ویژگی­ های هیدرودینامیکی سوسپانسیون شامل ذرات بازپراکنده شده نانوسلولز شامل آزمون­های ویسکوزیته، کدورت، حجم ویژه هیدرودینامیکی و میزان جذب آب مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، اندازه ذرات پودر تولید شده از طریق آزمون پراکندگی دینامیکی نور مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج و بحث:
بررسی نتایج نشان داد که در بالاترین سطح افزودن کربوکسی­ متیل سلولز (40 میلی ­لیتر) و اعمال دمای121 درجه سانتی­گراد به مدت 25 دقیقه داخل اتوکلاو، بیشترین جذب صورت پذیرفته است که به دستیابی به میزان زیاد در کلیه ویژگی­ های هیدرودینامیکی در قیاس با نمونه شاهد و دیگر نمونه ­های تیمارشده منجر شد. برخلاف این یافته، اطلاعات به ­دست آمده از آزمون پراکندگی دینامیکی نور نشان داد که شاخص پراکندگی و اندازه هیدرودینامیکی همه نمونه­ های تیمار شده بسیار بالاتر از نانوسلولز تیمار نشده بودند که به دلمه و توده شدن ذره­ های سلولزی در محیط آبی نسبت داده شد.
نتیجه­ گیری:
با استفاده از این روش، پودر نانوسلولزی با قابلیت پراکندگی مناسب در آب پس از خشک­کردن در آون حاصل شد و بنابراین می ­توان نتیجه­ گیری کرد که با افزودن مقدار مناسبی CMC به نانوسلولز، پراکنش، بهبود یافته و قابلیت جذب آب پودرهای تولید شده افزایش پیدا می­ کند. دستاوردهای این روش جدید، تولید، حمل و نقل و ذخیره ­سازی نانوفیبریل ­های سلولزی را در کاربردهای صنعتی تسهیل می ­بخشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

An environmentally friendly approach for the production of nanocellulose powder

نویسندگان [English]

  • Aynaz Holakoyi
  • Omid Ramezani
  • Hossein Kermanian
  • Faranak Mohammad Kazemi

Biorefinery Department, New Technologies Engineering Faculty, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction:
Due to the hydrophilic nature of cellulose, nanofibrillated cellulose (NFC) is supplied in low solid content and high viscosity. As a cost saving strategy, increasing the possible highest solid content is preferred, which is hardly feasible owing to the irreversible hydrogen bonding formation during drying. This phenomenon known as Hornification prevents the cellulose nanofibrils to be readily dispersed in water after being dried. This research assessed an environmentally friendly procedure for the production of water-dispersible nanofibrillated cellulose powder based on carboxymethyl cellulose (CMC) absorption.
Material and methods:
The absorption of varying amounts of CMC (0, 20 and 40 ml to constant 100 ml NFC) on cellulose nanofibrils in different temperatures of 22 °C (ambient) and 121 °C (autoclave) was investigated using conductometric titration. As the innovative part of the project, hydrodynamic properties of the dispersed NFC suspension including viscosity, turbidity, hydrodynamic specific volume, and water uptake were explored. Besides, the size of powder particles was probed by Dynamic Light Scattering (DLS).
Results and discussion:
The results indicated that in the highest addition level of CMC (40 ml) and autoclaving at 121 °C for 25 min, the highest absorption was observed, which yielded maximum results in all hydrodynamic properties compared to the control and other treated samples. On the contrary, data recorded for DLS signified that Poly Dispersity Index and the hydrodynamic diameter of the treated samples were bigger than untreated NFC, which was ascribed to the aggregation and agglomeration of cellulose particles in aqueous media. 
Conclusion:
Based on the method presented in this research, NFC powders with suitable dispersibility were obtained after oven-drying. It is concluded that the addition of adequate CMC to NFC results in increased dispersion and waster absorption capacity. The achievements of this novel method facilitates the production, handling, and storage of NFC in industrial applications. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanofibrillated cellulose (NFC)
  • Hornification
  • Dispersibility
  • Carboxymethyl cellulose (CMC)

Araki, J., Wada, M. and Kuga, S., 2001.Steric stabilization of a cellulose microcrystal suspension by poly(ethylene glycol) grafting. Langmuir. 17, 21-27.

Andresen, M., Johansson, LS., Tanem, BS., Stenius, P., 2006. Properties and characterization of hydrophobized microfibrillated cellulose. Cellulose. 13,665-677.

Ankerfors, M., 2012. Microfibrillated cellulose: Energy-efficient preparation techniques and key properties (Doctoral dissertation, KTH Royal Institute of Technology).

Ambjornsson H.A, Schenzel, K. and Germgard, U., 2013. Carboxymethyl cellulose produced at different mercerization conditions and characterized by NIR FT raman spectroscopy in with multivariate analytical methods. Bio Resources. 8(2), 1918-1932.

Brosa, J. and Recz, I., 1995. Carboxymethylcellulose of fibrous character, a survey. Cellulose Chem. Thecnol. 29, 657-663.

Beck, S., Bouchard, J. and Berry, R., 2012. Dispersibility in water of dried nanocrystalline cellulose biomacromolecules 13,1486-1494.

Butchosa, N. and Zhou, Q., 2014.Water redispersible cellulose nanofibrils adsorbed with carboxymethyl cellulose. Cellulose. 21:4349-4358.

Eyholzer, CH., Bordeanu, N., Lopez-Suevos, F., Rentsch, D., Zimmermann, T. and Oksman, K., 2010 .Preparation and characterization of water-redispersible nanofibrillated cellulose in powder form. Cellulose. 17,19-30.

Fall, A. B., Lindström, S. B., Sundman, O., Ödberg, L. and Wågberg, L., 2011. Colloidal stability of aqueous nanofibrillated cellulose dispersions. Langmuir. 27(18), 11332-11338.

Gousse C, Chanzy H, Cerrada M.L. and Fleury E., 2004. Surface silylation of cellulose microfibrils: preparation and rheological properties. Polymer. 45, 1569-1575.

Ishimaru Y. and Lindstrom T., 1984. Adsorption of water-soluble, nonionic polymers onto cellulosic fibers. J Appl Polym Sci. 29, 1675-1691.

Jin L, Wei Y, Xu Q, Yao W. and Cheng, Zh., 2014. Cellulose nanofibers prepared from TEMPO-oxidation of kraft pulp and its flocculation effect on kaolin clay. Applied Polymer. 40450.

Kettunen, M., 2013. Cellulose nanofibrils as a functional material. Aalto University publication series Doctoral Dissertations 114.

Khoshkava V. and Kamal, MR., 2014. Effect of drying conditions on cellulose nanocrystal (CNC) agglomerate porosity and dispersibility in polymer nanocomposites. Powder Technology. 261, 288-298.

Lasseuguette, E., 2008. Grafting onto microfibrils of native cellulose. Cellulose. 15, 571-580.

Missoum, K, Bars, J. and Belgacem, M.N., 2012. Water redispersible dried nanofibrillated cellulose by adding sodium chloride. Biomacromolecules. 13, 4118-4125.

Missoum, K, Belgacem, M.N. and Bras, J., 2013. Nanofibrillated cellulose surface modification: a review. Materials. 6, 1745-1766.

Mehrabi, M., Sharifpur, M. and Meyer, J.P., 2013. Viscosity of nanofluids based on an artificial intelligence model. International Communications in Heat and Mass Transfer. 43, 16-21.

Mohd Amin MCI, Abadi, A.G. and Katas, H., 2014. Purification, characterization and comparative studies of spray-dried bacterial cellulose microparticles. Carbohydrate Polymers. 99, 180-189.

Nguyen, C.T., Desgranges, F., Roy, G., Galanis, N., Mare, T., Boucher, S. and Angue Mintsa, H., 2007. Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids – hysteresis phenomenon. International journal of heat and fluid flow. 28, 1492-1506.

Namburu, PK, Kulkarini, DP, Dandekar, A. and Das, DK., 2007. Experimental investigation of viscosity and specific heat of silicon dioxide nanofluids. Micro and Nano Letters. 2(3), 67-71.

Novo, L.P., Bras, J., Garcia, A., Belgacem, N. and Curvelo, A.A., 2015. Subcritical water: a method for green production of cellulose nanocrystals. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 3(11), 2839-2846.

Perez, D.D, Montanari, S. and Vignon, M.R., 2003. TEMPO-mediated oxidation of cellulose III. Biomacromolecules. 4, 1417-1425.

Pastoriza-Gallego, M.J, Casanova, C., Legido, J.L. and Peneiro, M.M., 2011. Cuo in water nanofluid: Influence of particle size and polydispersity on volumetric behaviour and viscosity. Fluid phase equilibria. 300, 188-196.

Paudel, A, Worku, Z.A, Meeus, J., Guns, S. and Mooter, GVD., 2012. Manufacturing of solid dispersions of poorly water soluble drugs by spray drying: formulation and process considerations. International journal of pharmaceutical. 453 (1), 253-284.

Peng, Y, Gardner, D.J. and Han, Y., 2012. Drying cellulose nanofibrils: in search of a suitable method. Cellulose. 19, 91-102.

Peng, Y., Han, Y. and Gardner, D.J., 2012. Spray-drying cellulose nanofibrils: Effect of drying process parameters on particle morphology and size distribution. Wood Fiber Science. 44(4), 1-14.

Peng, Y., Gardner, D.J., Han, Y., Cai, Z. and Tshabalala, M.A., 2013. Influence of dryng method on the surface energy of cellulose nanofibrils determined by inverse gas chromatography. Journal of Colloid and Interface Science. 405, 58-95.

Peng, Y., Gardner, D.J., Han, Y., Kiziltas, A., Cai, Z. and Tshabalala, M.A., 2013. Influence of drying method on the material prperties of nanocellulose I: thermostability and crystallinity. Cellulose. 20, 2379-2392.

Ramanen, P., Penttila, P.A., Svedstrom, K. and Maunu SL., 2012. The effect of drying method on the properties and nanoscale structure of cellulose whiskers. Cellulose. 19, 901-912.

Sassi, J.F. and Chanzy, H., 1995. Ultrastructural aspects of the acetylation of cellulose. Cellulose 2:111-127.

Saito, T., Nishiyama, Y., Putaux, J.L., Vignon, M. and Isogai, A., 2006. Homogeneous suspensions of individualized microfibrils from TEMPO-catalyzed oxidation of native cellulose. Biomacromolecules. 7, 1687-1691.

Sharma, P.R. and Varma, A.J., 2013. Functional nanoparticles obtained from cellulose: engineering the shape and size of 6-carboxycellulose. Chemical Communications. 49(78), 8818-8820.

Stenstad, P., Andresen, M., Tanem, B.S. and Stenius, P., 2008. Chemical surface modifications of microfibrillated cellulose. Cellulose. 15, 35-45.

Subramanian, R., Kononov, A., Kang, T., Paltakari, J. and Paulapuro, H., 2008. Structure and properties of some natural cellulosic fibrils. Bioresources. 3(1), 192-203.

Voronova, M.I., Zakharov, A.G., Kuznetsov, O.Y. and Surov, O.V., 2012. The effect of drying technique of nanocellulose dispersions on properties of dried materials. Materials Letters. 68, 164-167.

Zohuriaan-Mehr, M.J. and Kabiri, K., 2008. Superabsorbent polymer materials: a review. Iranian Polymer Journal. 17 (6), 451-477.