اصلاح شيميايي نانوالياف سلولزي و تاثيرات آن بر آب‌گريزي و پراكندگي آنها

Chemical Modification of Cellulose Nanofibers and its Impact on their Hydrophobicity and Dispersibility

نانوالیاف سلولزی قابل استخراج از گیاهان چوبی و غیرچوبی شامل مزایایی زیادی همچون دانسیتة كم، قابلیت دسترس‌‌پذیری بالا، زیست‌‌تخریب پذیری، تجدیدپذیری و ویژگی‌های مكانیكی مناسبی در مقایسه با فیبرهای مصنوعی می‌‌باشند و در سال‌های اخیر علاقمندی به استفاده از آنها در چندسازه‌های سبز، به‌ویژه به‌عنوان تقویت‌‌كنندة فاز زمینة پلیمری در نانوچندسازه‌‌ها افزایش یافته است. حضور گروه‌های قطبی هیدروكسیل در نانوالیاف سلولزی سبب ایجاد آب‌دوستی شدید و پراكندگی غیریكنواخت آنها در محیط‌های غیرقطبی می‌شود. هدف از انجام این پژوهش، بهبود پراكندگی و خاصیت آب­گریزی نانوالیاف سلولزی با استفاده از اصلاح شیمیایی آنها است. بدین منظور در این تحقیق، نانوالیاف سلولزی حاصل از خمیركاغذ شیمیایی پوست كنف با انیدرید استیك استیله و اصلاح شدند و خواص آنها مطالعه شد و با نانوالیاف سلولزی بكر مقایسه شد. در بخش نتایج، اصلاح گروه‌‌های هیدروكسیل و جایگزینی بخشی از آنها با گروه‌‌های استری توسط طیف‌سنجی FT-IR تایید و درجة استخلاف نانوالیاف سلولزی استیله‌‌شده در شرایط استفاده­شده با روش تیتراسیون 22/0 تعیین شد. همچنین، شاخص بلورینگی، زاویة تماس دینامیكی و پایداری حرارتی (TGA) نانوالیاف قبل و بعد از اصلاح بررسی و مقایسه شدند. آنالیز X-Ray كاهش شاخص بلورینگی را پس از انجام اصلاح شیمیایی نشان داد و با توجه به نتایج زاویة تماس، سطوح نانوالیاف از حالت آب‌دوستی به آب‌گریزی بیشتر تغییر حالت دادند. به‌علاوه، آزمون TGA افزایش میزان پایداری حرارتی نانوالیاف­های اصلاح‌شده را نشان داد. نهایتا در بررسی پراكنش نانوالیاف در حلال‌های آلی اتانول و استون نشان داد كه استیلاسیون با درجة استخلاف ایجادشده برای ایجاد پراكندگی بهتر و ماندگارتر نانوالیاف اصلاح‌شده در محیط‌های مذكور مناسب است.

Cellulose nanofibers (CNF) which isolated from wood and non woody plants have attractive advantages comparing with the synthetic fibers, some of the most relevant being the following: low density, renewable sources, biodegradability, availability, and high specific mechanical properties. Recently, the use of CNF in green materials, especially as reinforcement in different polymers has been increased greatly. However, the existence of the hydroxyl groups on the CNF surface leads to high hydrophilicity and limited dispersibility of CNF in non- polar polymers. In this study, the chemical modification has been used to enhance the hydrophobicity and dispersibility of CNF in non-aqueous mediums. Therefore, isolated CNF from Kenaf bast fibers was acetylated with acetic anhydride to obtain acetylated cellulose nanofibers (ACNF). The properties of both acetylated and non-acetylated nanofibers were studied. FTIR analysis was used to confirm the replacement of hydroxyl groups with acetyl groups. The degree of substitution was calculated by using titration method and it was found to be 0.22. XRD analysis indicated crystalinty index of ACNF decreased compared to untreated CNF. The dynamic contact angle measurement showed that the hydrophilic surfaces of CNF become more hydrophobic due to the partial acetylation. In addition, TGA results clearly demonstrated an increase in thermal stability of acetylated nanofibers. The study of the dispersion illustrated that acetylated cellulose nanofibers formed stable, well-dispersed suspensions in both acetone and ethanol.