سلولز ضایعات کنف قفل پلاستیک های زیست تخریب پذیر سخت تری را باز می کند

توسط شورای ملی تحقیقات علم و فناوری

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان کره‌ای روشی را برای تقویت پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر با استفاده از کنف، یک محصول جانبی کشاورزی، توسعه داده‌اند. انتظار می رود این رویکرد برای سایر بقایای کشاورزی با حجم بالا، از جمله ساقه سویا و کاه برنج، قابل اجرا باشد.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر هویونگ کیم از موسسه تحقیقات فناوری شیمیایی کره (KRICT) سلولز را از ساقه های دور ریخته شده کنف صنعتی استخراج کردند که برای تولید منسوجات سنتی کنفی استفاده می شود. سپس تیم یک فرآیند خشک کردن را اعمال کرد که ساختار میکروفیبریلار سلولز را حفظ می‌کند و آن را قادر می‌سازد تا به عنوان یک پرکننده زیستی تقویت‌کننده برای پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر عمل کند.

این تحقیق در مجله مهندسی شیمی منتشر شد.

فیلم های زیست تخریب پذیر ساخته شده از نشاسته ترموپلاستیک (TPS) و پلی (بوتیلن آدیپات-کو-ترفتالات) (PBAT) توجه را برای استفاده در بسته بندی های سازگار با محیط زیست و فیلم های مالچ کشاورزی به خود جلب کرده اند زیرا می توانند در خاک تجزیه بیولوژیکی شوند. با این حال، این فیلم ها به راحتی پاره می شوند و مقاومت محدودی در برابر رطوبت دارند.

سلولز به‌دست‌آمده از خمیر پنبه یا چوب را می‌توان به میکروفیبریل‌ها تبدیل کرد و به‌عنوان ماده تقویت‌کننده استفاده کرد، اما مراحل اضافی میکروفیبریلاسیون و فرآوری می‌تواند چنین موادی را پرهزینه کند.

کنف صنعتی در حال حاضر در مناطق ویژه عاری از مقررات، از جمله Andong، Gyeongsangbuk-do کشت می‌شود. در حالی که قسمت بیرونی ساقه برای به دست آوردن الیاف استفاده می شود، هسته چوبی باقیمانده که به نام هویج کنفی شناخته می شود، تقریبا 70 درصد وزن ساقه را تشکیل می دهد و کاربردهای نسبتا محدودی داشته است.

استفاده از هویج دور ریخته شده کنف به عنوان ماده اولیه سلولز میکروفیبریل شده به جای خمیر کاغذ تجاری می تواند ضایعات کشاورزی و هزینه های مواد خام را کاهش دهد.

با این حال، یک چالش بزرگ این است که میکروفیبریل‌های سلولز وقتی با استفاده از روش‌های معمولی خشک می‌شوند، تمایل به تجمع محکم دارند. این پدیده که به نام شاخ‌زایی شناخته می‌شود، باعث می‌شود که ساختار فیبریلار ظریف به دلیل تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی با یکدیگر، از بین برود.

برای اینکه یک فیلم زیست تخریب پذیر قوی تر شود، الیاف تقویت کننده باید به طور یکنواخت در سراسر ماتریس پلیمری پراکنده شوند تا تنش مکانیکی به طور موثر توزیع شود. با این حال، هنگامی که الیاف سنگدانه های بزرگی را تشکیل می دهند، نمی توانند به طور موثر تنش را تحمل یا منتقل کنند و فیلم را مستعد پارگی می کند.

خشک کردن انجمادی و خشک کردن با اسپری می تواند به سرکوب چنین تجمعی کمک کند، اما مصرف بالای انرژی و هزینه تجهیزات آنها را برای تولید در مقیاس بزرگ کمتر مناسب می کند. توسعه یک فرآیند خشک کردن ساده و اقتصادی که ساختار فیبریلار ریز را حفظ کند و در عین حال تجمع را به حداقل برساند، یک چالش طولانی مدت باقی مانده است.

تیم KRICT این مشکل را از طریق یک استراتژی فیزیکوشیمیایی دو مرحله ای که خشک کردن معمولی در اجاق را حفظ می کند و در عین حال رطوبت سلولز مشتق شده از کنف را کنترل می کند و سطح آن را با یک عامل شیمیایی ارزان قیمت، آلکیل کتن دایمر (AKD) درمان می کند، حل کرد.

الیاف گیاهی دارای یک سطح رطوبت بحرانی ذاتی هستند که به عنوان نقطه اشباع الیاف (FSP) شناخته می شود. در این مرحله، آب آزاد در منافذ الیاف حذف شده است، در حالی که آب محدود در دیواره های سلولی باقی می ماند. برای الیاف گیاهی، FSP به طور کلی با رطوبت حدود 30٪ مطابقت دارد.

هنگامی که میزان رطوبت به زیر این آستانه می‌رسد، آب محدود شروع به دفع می‌کند و میکروفیبریل‌های سلولزی مجاور را به هم نزدیک می‌کند و پیوند هیدروژنی بین مولکولی قوی و تجمع غیرقابل برگشت را تقویت می‌کند.

تیم تحقیقاتی سلولز میکروفیبریل شده را از گیاه شاهدانه تهیه کردند و FSP آن را دقیقا شناسایی کردند. سپس الیاف آسیاب شدند، در حالی که سطح رطوبت مناسبی بالاتر از این آستانه بحرانی حفظ می‌شد، و این امکان را فراهم می‌کرد تا پردازش قبل از شاخ‌زنی شدید انجام شود.

این تیم بیشتر سطح سلولز را با AKD درمان کردند. زنجیره های آلکیل آبگریز معرفی شده توسط AKD مانعی فضایی بین میکروفیبریل های مجاور ایجاد می کند و باعث سرکوب بیشتر پیوند هیدروژنی بین فیبریلار در طول خشک شدن می شود.

با ترکیب کنترل رطوبت با اصلاح سطح AKD، محققان توانستند ساختار فیبریلار ظریف را با استفاده از خشک کردن در اجاق معمولی، بدون تکیه بر خشک کردن انجمادی گران قیمت، حفظ کنند.

سلولز مشتق شده از کنف در 10 درصد وزنی در یک فیلم زیست تخریب پذیر TPS/PBAT ترکیب شد و استحکام کششی فیلم مورد ارزیابی قرار گرفت. میکروفیبریل های سلولزی تهیه شده با استفاده از روش خشک کردن معمولی استحکام کششی را تنها 1.5٪ بهبود می بخشد، در حالی که بیوفلر تولید شده با استفاده از فرآیند جدید توسعه یافته استحکام کششی را 26.2٪ افزایش می دهد.

مقدار بخار آب و اکسیژن عبوری از فیلم نیز به ترتیب تقریبا 17% و 9% کاهش یافت که نشان دهنده بهبود عملکرد رطوبت و مانع اکسیژن است.

این فناوری به طور بالقوه می تواند به سایر بقایای کشاورزی غنی از سلولز، از جمله ساقه سویا و کاه برنج گسترش یابد و تیم تحقیقاتی قصد دارد مطالعات بیشتری را برای گسترش کاربردهای آن انجام دهد.

Hae-Min Jo و همکاران، میکروفیبریلاسیون نقطه اشباع الیافی کنف hurd که باعث افزایش عملکرد همزمان نشاسته ترموپلاستیک/پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات می شود، مجله مهندسی شیمی (2026). DOI: 10.1016/j.cej.2026.179503

اطلاعات مجله: مجله مهندسی شیمی

ارائه شده توسط شورای ملی تحقیقات علم و فناوری

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →