مهندسی علوم صنایع چوب و کاغذ

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

ساخت هواپیما با خمیر کاغذ
ساعت ۱۱:۱٢ ‎ب.ظ روز دوشنبه ٢۸ اسفند ۱۳٩۱ 


مترجم: آتنا حسن آبادی
برگرفته از: gizmag

لابراتوار سازمان جنگلداری ایالات متحده آمریکا با بودجه ای معادل 7/1 میلیون دلار کارخانه ای آزمایشی برای تولید نانو کریستال های سلولزی (CNC) از محصولات جانبی چوب مانند خاک اره و تراشه چوب احداث کرده است. در صورتی که نانو کریستال های سلولزی بدرستی فرآوری شود به مراتب قوی تر و محکم تر از کولار یا همان الیاف های کربنی خواهد بود به طوری که استفاده از نانوکریستال های سلولزی در مواد کامپوزیت باعث استحکام بیشتر و وزن کمتر آنها می شود. به علاوه هزینه تولید نانو کریستال های کربنی 10 درصد کمتر از هزینه تولید الیاف کربن است. چنین مزایایی باعث جلب نظر ارتش و صنایع نظامی برای استفاده از این مواد جهت تولید زره پوش های سبک می شود. علاوه بر صنایع نظامی دیگر صنایع نظیر اتومبیل سازی، هوا فضا، الکترونیک، محصولات مصرفی و صنایع پزشکی به استفاده از آن ترغیب خواهند شد. سلولز فراوان ترین پلیمر زیستی موجود روی سیاره زمین است و در دیوارهای سلول گیاهی و سلول های باکتریایی یافت می شود.


    الیاف سلولزی از زنجیره های طولانی ملکول های گلوکز تشکیل شده که به صورت شبکه پیچیده ای قرار گرفته و علاوه بر تشکیل ساختار سلول های گیاهی از این ساختارحمایت می کند. منبع تجاری اولیه برای تامین سلولز چوب است. چوب شبکه ای از الیاف های سلولزی بوده که توسط لیگنین بهم چفت شده است. لیگنین، پلیمر طبیعی دیگری است که براحتی قابل تخریب و حذف از ساختار چوب است.
    خمیر چوب طی فرآیندهای مختلفی تولید می شود که در همه این فرآیندها پلیمر لیگنین شکسته شده و پس از شستن الیاف سلولزی در آب دور ریخته می شود. یک نمونه الیاف سلولزی چوبی فقط ده ها میکرون پهنا و حدود یک میلی متر طول دارد.
    سلولز موجود در خمیر چوب پس از خشک شدن به قوام مناسبی می رسد. لایه سلولز موجود در خمیر چوب دارای خواص مکانیکی شبیه به یک حوله کاغذی مرطوب است که به نظر نمی رسد این ماده از استحکام مناسبی برخوردار باشد؛ اما این موضوع قابل حل است.
    با انجام پرداخت های بیشتر می توان الیاف سلولز را شکسته و آن را به نانوالیاف های ریزی که هزاران بار کوچک تر از الیاف سلولزی است، تبدیل کرد. در این نانو الیاف ریز سلولز به شکل دسته ای از رشته های دراز بدون انشعاب و سه بعدی از ملکول های گلوکز درآمده که توسط یک پیوند هیدروژنی به هم متصل است. پیوند هیدروژنی بین ملکول های سلولز نسبتا محکم بوده و باعث افزایش قدرت و استحکام نانو کریستال های سلولز می شود. درون این نانوالیاف ریز فضاهایی وجود دارد که در آنجا زنجیره های سلولز به موازات هم و به فاصله بسیار نزدیکی قرار گرفته است. معمولادر یک نانو الیاف ریز چند فضای اینچنینی وجود دارد که توسط فضاهای نامنظم از یکدیگر جدا می شود.
    این فضاهای نامنظم به وسیله یک اسید قوی از بین رفته و نانو کریستال های بسیار محکم سلولزی به وجود می آید. در حال حاضر بازده فرآیند جداسازی نانو کریستال های سلولزی از خمیر چوب حدود 30 درصد است. در حال حاضر برنامه ای برای ارتقای این بازده جزئی طرح ریزی شده، اما عامل محدودکننده در این میان نسبت میزان کریستال ها به سلولز نامنظم در منابع است. در این برنامه کوتاه مدت، هزینه جداسازی نانو کریستال های سلولزی 10 دلار در هر کیلوگرم بوده، اما برای تولید در مقیاس بزرگ این میزان حدود یک تا دو دلار ترسیم شده است.
    مقایسه استحکام و قدرت مواد شناخته شده ای مانند استیل، نانو تیوب های کربن، چوب بلوط، الیاف کربن و کولار 49 با نانو کریستال های سلولزی نشان می دهد تنها استحکام نانوتیوب های کربن بیشتر از نانوکریستال های سلولزی (CNC) بوده که قیمت آن 100 برابر CNC است؛ البته مانند بسیاری از مواد CNC هم ماده کاملی نیست. بزرگ ترین دشمن و عامل تخریب آن آب است؛ البته برای جلوگیری از ایجاد ساختار نامنظم در نتیجه رخنه کردن ملکول های آب بین ملکول های سلولز نیاز است که کریستال های سلولزی در معرض آب 320 درجه سانتی گراد و فشار 250 اتمسفر قرار گیرند تا این نقیصه هم برطرف شود.
    روش های مختلفی برای تبدیل کردن مواد کامپوزیت CNC به یک محصول با دوام در دنیای واقعی وجود دارد که ساده ترین، اما محدودترین آنها استفاده از این مواد در جاهایی است که در معرض آب نیستند. روش دیگر تغییر شیمیایی سطح سلولزی این مواد به گونه ای است که آب گریز بوده و جاذب آب نباشند. انجام این کار آسان بوده، اما ممکن است باعث تنزل قابل توجه خواص مکانیکی CNC ها شود. روش سوم ترکیب CNCها با موادی است که علاوه بر ایجاد یک رابط آبگریز، خواص مکانیکی آنها را هم حفظ کند.
    شاید عملی ترین روش این است که بسادگی مواد کامپوزیت CNC را با یک روکش ضد آب پوشاند تا آنها را از معرض نفوذ آب در امان نگهدارد. می توان مطمئن بود که در آینده برای استفاده از چنین مواد مستحکم و قوی شاهد نوآوری​ هایی خواهیم بود تا این نظریه ها را به عمل تبدیل کند.
    
    
    
    
 روزنامه جام جم، شماره 3652 به تاریخ 21/12/91، صفحه 12 (دانش)