مهندسی علوم صنایع چوب و کاغذ

××وبلاگ تخصصی مهندسی علوم و صنایع چوب و کاغذ **

فناوری نانو و کاربرد در علوم چوب و کاغذ
ساعت ٤:۱٢ ‎ب.ظ روز شنبه ۱ اردیبهشت ۱۳۸٦ 

مترجم :مريم سلطاني
كليد واژه ها :چوب کاغذ

فکر میکنید نانو چقدر کوچک است


خلاصه:

 کميسيون اروپا به منظور ترسيم نقشه راه (‏RoadMap‏) تحقيق و توسعه و ‏تشخيص پيشرفت‌هاي جديد در حوزه فناوري‌نانو و شناسايي زمينه‌هاي مرتبط و مناسب براي کاربردهاي ‏عملي اين فناوري‌ در بخش توليدات چوبي، مطالعه جامعي را انجام داده است. ‏در اين مطالعه مشخص شد که فناوري نانو با ساخت موادي با عملکرد بسيار بالا مي‌تواند ابزاري بسيار ‏مهم براي پيشرفت زمينه‌هاي بسياري از جمله موارد زير باشد: ‏ تغيير محصولات چوبي از منبع محور به دانش محور؛ پيشرفت‌هاي غيرمنتظرة واقعي در عملکرد مواد زيستي ساخته شده از منابع چوبي؛ تغيير رويکرد از محصولات چوبي حجيم به مواد جديد بيوکامپوزيتي مناسب؛ يکپارچه نمودن ‏SEM‏‌ ها، به عنوان مثال، اجتماع توليدکنندگان محصولات با عملکرد بالا، با فعالان صنعت چوب و ‏کاغذ. ‏ اين گزارش، شامل بخشهاي مهم نقشه راه فناوري نانو در صنعت چوب اروپا است

متن مقاله

خلاصه مديريتي
شناخت و استفاده موفقيت‌آميز از فناوري‌نانو در صنعت چوب، توليد محصولات جديد و با ارزش افزوده بسيار بالا را ممکن مي‌سازد. کميسيون اروپا به منظور ترسيم نقشه راه (
RoadMap) تحقيق و توسعه و تشخيص پيشرفت‌هاي جديد در حوزه فناوري‌نانو و شناسايي زمينه‌هاي مرتبط و مناسب براي کاربردهاي عملي اين فناوري‌ در بخش توليدات چوبي، مطالعه جامعي را انجام داده است.
در اين مطالعه مشخص شد که فناوري نانو با ساخت موادي با عملکرد بسيار بالا مي‌تواند ابزاري بسيار مهم براي پيشرفت زمينه‌هاي بسياري از جمله موارد زير باشد:
تغيير محصولات چوبي از منبع محور به دانش محور؛
پيشرفت‌هاي غيرمنتظره واقعي در عملکرد مواد زيستي ساخته شده از منابع چوبي؛
تغيير رويکرد از محصولات چوبي حجيم به مواد جديد بيوکامپوزيتي مناسب؛
يکپارچه نمودن
SEM‌ ها، به عنوان مثال، اجتماع توليدکنندگان محصولات با عملکرد بالا، با فعالان صنعت چوب و کاغذ.

سازمان‌دهي نقشه راه 
نقشه راه بر اساس طبقه بندي‌ مهم‌ترين تحقيقات و توسعه‌هاي مورد نياز براي رسيدن به چشم‌اندازها ترسيم شده است. عمده‌ترين موضوعات اين مسير عبارتند از:
ابزارهاي تحليلي؛
چوب و توليدات چوبي؛
کاغذسازي و بسته‌بندي؛
مواد جديد و کامپوزيت‌ها؛
آموزش و تعليم؛
محيط زيست، ايمني و بهداشت.
فرايند در نظر گرفته شده براي دستيابي به اين اهداف، شامل تعيين مسير تحقيقات جديد و ابداعات فناوري‌نانو و فناوري‌هاي صنعتي، از طريق مطالعه انتشارات، حضور در کارگاه‌ها و کنفرانس‌هاي فناوري‌نانو و بازديد از مراکز فعال در اين زمينه است. براي فراهم آوردن توان اوليه مورد نياز براي نقشه راه، کارگاهي با حضور بخش‌هاي مختلف صنعت، دولت و دانشگاه ايجاد و در آن راجع به حوزه‌ها و موضوعات اساسي فناوري‌نانو بحث شد.


پيشنهادها
پيشنهادهاي ارائه شده، ‌روي تحقيق و توسعه فناوري‌نانو در زمينه‌هاي توليدات چوبي، خمير (
Pulp)، کاغذ، تخته و کاربردهاي جديد رشته‌هاي سلولزي تمرکز دارند.
ديدگاه‌هاي موجود در اين زمينه شامل بهبود کارايي توليدات غير متعارف، پالايش هرچه بيشتر محصولات براي عملکرد بهتر و به دست آوردن صفحات رشته‌اي جديد و دستيابي به مواد و بسته‌بندي‌هاي جديد است.
با تمرکز بر کاربردهاي کوتاه‌‌ مدت فناوري‌نانو در زمينه توليدات چوبي، پيشنهادهاي زير جهت تحقيق و توسعه ارائه شد:
تحقيقات اکتشافي در نانوساختارهاي چوب و خمير؛
ساختارهاي مهم شامل سيستم‌ متخلخل ديواره فيبر؛
سازمان‌دهي و توزيع اجزاي ديواره فيبر؛
اصلاح آنزيمي اجزاي فيبر؛
اصلاحات فيزيکي و شيميايي اجزاي بافت شامل افزودن و اصلاح سيستم متخلخل ديواره فيبر؛
تحقيق و توسعه اکتشافي با هدف بهره‌برداري صنعتي از نانوالياف سلولزي ؛
اصلاح شيميايي الياف سلولزي؛
فرآيندهاي تجميع و توزيع؛
اندازه‌گيري خواص مقاومتي و شبکه‌اي الياف در کاغذ و خميرسازي؛
کاربرد الياف سلولزي و خاک رس لايه‌بندي شده در نانوکامپوزيت‌ها به منظور ايجاد حفاظ‌هاي آب، نفت و گاز؛
تحقيق و توسعه اکتشافي براي اصلاح سطوح در الياف چوبي و سلولزي؛
روش‌هاي چند لايه اي پلي‌الکتروليتي؛
خود‌آرايي پلي ساکاريدها و مشتقات پلي‌ساکاريدي؛
پيوندهاي سطحي پليمرها؛
بلوکه کردن پليمرها با هدف اصلاح سطوح.
1.6 ميليون نفر نيروي کار، بازاري برابر 150 ميليارد يورو دارد. اين صنعت در مقايسه با صنايع ديگر مانند فولاد، سيمان، کاغذ و خمير سازي زيرمجموعه‌اي از بخش‌ها و مشاغل کوچک‌تر را در بر مي‌گيرد. چوب يک ماده طبيعي با کاربردهاي بسيار گسترده و قابل انطباق براي مصارف داخلي و خارجي (ساختماني) است و اين صنعت را مي‌توان بر حسب نوع محصولات به صورت زير طبقه‌بندي کرد:
وسايل منزل (55 درصد)؛
اجزاي ساختماني (15درصد)؛
Sawing، planning و impregnation (12درصد)؛
صفحات چوبي (9درصد)؛
بسته‌بندي (3درصد).
معمولاً مقاومت چوب‌هاي اروپايي کمتر از انواع غير اروپايي است، لذا اين چوب ها به افزايش مقاومت نياز دارند. براي اين منظور اغلب اصلاحات ظاهري از قبيل روکش‌دهي با مواد شيميايي انجام مي‌گيرد، اما برخي از روش‌هاي اصلاحي متعارف، با محيط زيست سازگار نيستند و حتي اثرات سمي دارند. به همين دليل نياز مبرم به کشف روش‌هاي جديد و زيست سازگار براي اصلاح و بهبود ويژگي‌هاي عملکردي چوب، احساس مي‌شود.
چوب‌هايي که با استفاده از فناوري‌نانو توليد مي‌شوند بسيار مستحکم‌تر و سخت‌تر از محصولات روش‌هاي سنتي خواهند بود. اگر چه ممكن است کامپوزيت‌هاي چوبي، داراي برخي محدوديت‌هاي عملکردي باشند اما اصلاح آنها آسان‌ است. از جمله ويژگي‌هايي که با استفاده از فناوري‌نانو افزايش مي‌يابد پايداري در برابر رطوبت، اشعه فرابنفش، فساد ميکروبي و انواع ويژگي‌هاي ظاهري از قبيل سختي و مقاومت در برابر آتش است.
سطوح چوب جامد و کامپوزيت‌هاي چوبي همواره در معرض فرسايش به‌وسيله نور (مانند اشعه فرابنفش) و رطوبت است و در برابر اين دو عامل بسيار آسيب‌پذير است. بنابراين حفاظت از مواد چوبي، با استفاده از روکش‌هاي غير شفاف و يا نيمه شفاف ابداع گرديد؛ اما اين روش موجب حذف زيبايي‌هاي ظاهري چوب مي‌شود، در صورتي که مصرف‌کنندگان مايلند توأماً از دوام بالا و زيبايي ظاهري برخوردار باشند. يک راه حل اين مشکل مي‌تواند استفاده از روش اصلاح ظاهري شفاف باشد.
عملکرد در برابر آتش نيز يکي از عوامل کاهش‌ کاربرد محصولات چوبي است. دستيابي به عملکرد پيشرفته‌ترمحصولات چوبي در برابر آتش نيز کار مشکلي نيست. بسياري از بازدارنده‌هاي آتش که هم‌اکنون مورد استفاده قرار مي‌گيرند، در کاهش پارامترهاي مختلف عکس‌العمل چوب در برابر آتش از جمله قابليت اشتعال، پخش حرارت و گسترش شعله مؤثرند. عملکرد چوب در برابر آتش مي‌تواند تا حد عملکرد پشم‌هاي معدني و صفحات فولادي افزايش يابد.
هر چند بسياري از اين اصلاحات ممکن است روي ساير ويژگي‌هاي چوب نيز تأثير گذار باشند، به هر حال دوام بالاي چوب در برابر آتش مي‌تواند با استفاده از روش‌هاي متداول حفاظت از چوب در برابر پوسيدگي‌هاي زيستي به دست آيد.
ايجاد رفتار بازدارندگي در برابر آتش در چوب (
FRT) ، اغلب موجب افزايش نفوذ‌پذيري در برابر رطوبت، تغيير رنگ و يا فساد تدريجي چوب مي‌شود. همچنين اين‌گونه اصلاحات مي‌تواند موجب کاهش دوام چوب، به ويژه در کاربردهاي بيروني، کاهش استحکام مکانيکي و مقاوم شدن در برابر چسب و رنگ شود، در صورتي که عمده‌ترين کاربرد چوب‌هاي اصلاح‌شده با خاصيت بازدارندگي آتش، در مصارف بيروني است.
زماني که چوب اصلاح شده در معرض رطوبت زياد قرار گيرد، ممکن است مواد شيميايي بازدارنده آتش به سطح چوب منتقل و در نهايت شسته شده و به کلي از چوب خارج شوند. حتي با ميزان اندکي رطوبت، در حد رطوبت داخلي، عملکرد حفاظتي چوب در برابر آتش ممکن است رو به زوال بگذارد، زيرا مواد شيميايي بازدارنده آتش از قسمت‌هاي فوقاني چوب به سمت قسمت‌هاي عميق با غلظت کمتر حرکت کرده، قابليت اشتعال محصولات افزايش مي‌يابد.


چالش‌ها
بهبود‌ ويژگي‌هاي عملکردي چوب و همزمان با آن، حفظ جنبه‌هاي زيبايي ظاهري محصولات چوبي جامد؛
امکان‌هاي جديد به منظور غلبه بر ويژگي‌هايي از چوب که موجب نامرغوبي آن مي‌شود مانند:
نفوذپذيري در برابر رطوبت؛
پوسيدگي ميکروبي؛
پوسيدگي در اثر حرارت؛
انواع جديدي از چسب‌ها و روکش‌هاي سطحي با مقاومت افزايش يافته براي:
شرايط متفاوت رطوبتي؛
شرايط متفاوت آب و هوايي؛
قرارگيري در معرض اشعه فرابنفش؛
ترکيب محصولات چوبي با ديگر مواد مورد کاربرد در فناوري‌هاي جديد؛
بهبود عملکرد چوب در برابر آتش به منظور حفظ خواص عملکردي ذاتي چوب، اثرات اکوسيستمي و نيز تقويت منابع مواد خام تجديد پذير؛
آزادسازي تدريجي ترکيبات ضد ميکروبي.
فرصت‌هاي فناوري‌نانو
محافظت در برابر اشعه فرا بنفش 
سطح چوب جامد در برابر عوامل مخربي مانند تابش (اشعه فرا بنفش و نور مرئي) بسيار آسيب‌پذير است و عموماً نياز به حفاظت در برابر اين قبيل عوامل دارد. اصلاح سطح چوب با استفاده از نانومواد مي‌تواند پيشرفتي غيرمنتظره و بسيار با اهميت در راستاي افزايش دوام و عملکرد، به همراه حفظ ظاهر زيباي چوب، بدون استفاده از روکش باشد. رنگدانه‌هاي معدني مانند دي‌اکسيد تيتانيوم (
TiO2) و اکسيد روي (ZnO) را معمولاً به منظور افزايش دوام شيميايي و مکانيکي و نيز بهبود شکل ظاهري به مواد با ساختار پليمري اضافه مي‌کنند. با اضافه کردن تنها 5 درصد از نانوذرات دي‌اکسيد تيتانيوم به چوب، آن را در برابر تابش فرابنفش محافظت نموده و از سرايت پوسيدگي به لايه‌هاي مختلف چوب جلوگيري مي‌شود و علاوه بر آن ظاهر چوب را نيز زيباتر مي‌کند.
ممانعت از تکثير ميکروب‌ها
چوب و کامپوزيت‌هاي چوبي، به ويژه در مصارف بيروني، اغلب در معرض تهاجمات باکتريايي مانند لکه‌هاي آبي، کپک‌ها و قارچ‌هاي نابود کننده چوب قرار دارند. جلوگيري از تماس باکتري‌ها با سطح چوب مي‌تواند روش مناسبي براي به حداقل رساندن تکثير کلوني‌هاي ميکروبي و يا تشکيل کپک در چوب باشد.
اصلاح سطح چوب با استفاده از نانوذرات سيليکا، تکثير باکتري‌ها و کلوني‌هاي قارچ‌ها را به‌طور چشمگيري کاهش مي‌دهد. ذرات کروي سيليکا، با قطر در حدود 10 نانومتر، از طريق يک لايه اتصالي پلي کاتيوني و با استفاده از يک فرايند غرق‌آبي ساده به سطوح شيشه‌اي متصل مي‌شوند. از اين روش مي‌توان براي ساخت روکش‌هاي نانوکامپوزيتي پليمري با خاصيت خودپالايي و حذف آلاينده‌هاي ميکروبي استفاده نمود. گرچه اين روش هنوز در چوب جامد استفاده نشده است، اما تحقيقات در زمينه بررسي روش‌هاي پيش‌نياز براي استفاده رايج از نانوذرات و يا آرايش آنها درون ديواره‌هاي سلولي چوب، ادامه دارد.
آزادسازي تدريجي ترکيبات با اهميت
نانوذرات ‌توان آزادسازي مداوم آفت‌کش‌ها و قارچ‌کش‌ها در يک ساختار پليمري را نيز دارند. اين روش که در آن قارچ‌‌‌‌‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها را به‌صورت کپسول‌هايي درون روکش قرار مي‌دهند، به منظور آزادسازي زمان‌بندي شده ابداع شده است. ساختارهاي ميکروحفره‌اي ساخته شده از نانوذرات دي‌اکسيد تيتانيوم نقش بسيار کليدي در سازوكار‌هاي آزاد‌سازي مرحله‌اي به عهده دارند. پوشش‌هاي داراي اين ذرات در برابر نفوذ و تکثير جلبک‌ها نفوذناپذيرند.
نگهداري چوب
استفاده از
Timber- که يک پارچه تلقيح شده با مس، کروم و آرسنيک است- براي مصارف مسکوني ممنوع شده است و صنعت توليدکننده آن براي يافتن جايگزيني براي آن تلاش مي‌كند. نشانه‌هاي بسياري مبني بر توانايي فناوري‌نانو در توليد محصولات مؤثرتر، با دوام تر و با خواص ضد ميکروبي به ويژه براي مصارف خارجي (Out door) وجود دارد. با استفاده از روش‌هاي اشباع مناسب، نانوذرات قادرند به درون ساختار چوب نفوذ کنند و اين در حالي است که تأثير وجود نانوذراتي مانند دي‌اکسيد تيتانيوم، اکسيد روي و يا اکسيد مس در نگهدارنده‌هاي چوب، در افزايش دوام چوب اثبات شده است.
عملکرد در برابر آتش
از نانوکامپوزيت‌هاي مقاوم به آتش به‌طور عمده‌ در توليد پلاستيک‌ها، استفاده شده است. همچنين از مقاومت نانوکامپوزيت‌ها در مقابل آتش مي‌توان در توليد محصولات چوبي بهره برد. اما تاكنون نتايج کمي در اين زمينه به دست آمده است.
مؤثرترين بازدارنده‌هاي آتش نانوکامپوزيتي، ساختاري است شامل تنها يک مونومر و يا پليمرهاي منبسط شده كه ميان لايه‌هاي سيليکا قرارداده شده است. چنانچه بتوان پلاستيک‌ها و خاک رس را طي يک فرايند مناسب به خوبي با هم مخلوط کرد، يک چنين ساختاري به آساني ايجاد مي‌شود. اما اين روش تاکنون در توليد محصولات چوبي جامد به‌کار نرفته است.
با اين وجود اطلاعات موجود در مورد محصولات چوبي نشان مي‌دهد، کاهش اندازه ذرات، مقاومت به آتش را تا چند برابر افزايش مي‌دهد.
با به کارگيري فناوري‌نانو مي‌توان ويژگي‌هاي بسيار شگفت‌انگيزي را در محصولات به وجود آورد. به عنوان مثال نانوذرات قادرند به درون غشاي سلولي نفوذ کرده، ساختاري بسيار مستحکم با احتراق‌پذيري کم ايجاد نمايند و به‌طور همزمان خصوصيات ميکروحفره‌اي چوب را نيز حفظ کنند. همچنين مي‌توان چوب را به عنوان ماتريسي براي توليد مواد سراميکي متخلخل جديد با عملکرد بسيار بالا در برابر آتش، به‌کار برد.
موانع به‌کارگيري فناوري‌نانو در توليد محصولات چوبي
صنعت چوب عمدتاً شامل صنايع کوچک و يا متوسط ديگري است که اغلب توانايي سرمايه‌گذاري تحقيقاتي براي توسعه فناوري‌ها و افزايش کيفيت محصولات را ندارند. اين صنعت هنوز به درک مناسبي از مفهوم ارزش افزوده در ابعاد وسيع‌ نرسيده است. در حال حاضر بيشترين بازده صنعت چوب، با استفاده از مواد توده‌اي حاصل مي‌شود. بيشترين توليدکنندگان محصولات چوبي هنوز از انتظارات و نيازهاي مصرف‌کنندگان آگاه نيستند. به عبارت ديگر، اکثر مصرف‌کنندگان به استفاده از مواد کاملاً طبيعي علاقه‌مند هستند و هيچ حمايتي از پيشرفت محصولات با استفاده از مواد غيرطبيعي نمي‌کنند.
تحقيقات مقدماتي مورد نياز براي توليدات چوبي
موارد کوتاه ‌مدت (3 سال) 
توسعه علوم پايه از طريق افزايش کيفيت تحقيقات؛
شناخت شرايط فيزيکي و شيميايي به منظور نفوذ و تثبيت نانومواد در چوب جامد و ورقه‌هاي چوبي؛
توسعه روش‌هاي آماده‌سازي کامپوزيت‌هاي غير آلي چوبي با استفاده از فرآيندهاي سل‌ژل؛
بررسي امکان جايگزيني روش‌هاي غير متعارف بارورسازي چوب، با روش‌هاي مبتني بر نانومواد به منظور افزايش دوام چوب جامد؛
جستجو براي روش‌هاي افزايش مقاومت چوب به آتش با استفاده از تکنيک‌هاي نانومتري، که علاوه بر افزايش عملکرد چوب در برابر آتش افزايش دوام چوب را نيز در پي داشته باشند؛
توسعه ابزارآلات ارزيابي تأثيرات اکوسيستمي روش‌هاي پيشنهاد شده براي اصلاح چوب.
موارد ميان مدت (تا سال 2010)
توسعه اکسيدهاي فلزي با ويژگي‌هاي بهبوديافته و با تمرکز بر افزايش مقاومت چوب در برابر عوامل ميکروبي و اشعه فرا بنفش؛
انتخاب اکسيدهاي فلزي سازگار با محيط‌زيست؛
معرفي اکسيدهاي فلزي مورد استفاده در ديواره‌هاي سلولي چوب براي افزايش دوام چوب؛
اثبات تجربي مناسب بودن روش‌هاي اصلاحي چوب در يک مقياس بزرگ‌تر؛
مطالعات عميق‌تر در مورد تأثيرات روش‌هاي اصلاحي پيشنهاد شده روي ويژگي‌هاي کارکردي بنيادي چوب.
موارد بلند مدت (تا سال 2020)
اثبات کارايي روش‌ها در مقياس واقعي يا در يک واحد پايلوت؛
به‌کارگيري چوب اصلاح شده نانومقياس براي کاربردهاي ساختمان‌سازي و يا ديگر کاربردها، از جمله کشتي‌سازي و خودرو سازي؛

منابع :

www.nanoforum.org

با اندکی تغییر

 

 

 

 

 

 


کلمات کلیدی: