هیچ چیز ارزشمند آسان بدست نمی آید.

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

3 دانشجوی کارشناسی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: نیترو سلولز، یکی از مشتقات مهم سلولز، به دلیل ویژگی‌هایی مانند واکنش‌پذیری بالا، قابلیت انحلال در حلال‌های آلی، توانایی تشکیل فیلم و اشتعال‌پذیری کنترل‌شده، در صنایع مختلف مانند تولید مواد منفجره، پوشش‌های پلیمری، فیلم‌های عکاسی، داروسازی و زیست پزشکی کاربرد گسترده‌ای دارد. خواص نهایی نیترو سلولز تا حد زیادی به ماهیت ماده اولیه سلولزی و شرایط فرایند نیتراسیون وابسته است. در دهه‌های گذشته، آلفاسلولز با خلوص بالا، به‌عنوان ماده اولیه استاندارد برای سنتز نیترو سلولز شناخته شده است، اما ظهور نانو الیاف سلولز به‌ویژه نانوالیاف سلولز (CNF) با ساختار نانومتری، سطح ویژه بالا و واکنش‌پذیری بیشتر، افق جدیدی را در توسعه نیتروسلولزهای اصلاح‌شده گشوده است. با توجه به تفاوت‌های ساختاری اساسی بین آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز، بررسی اثر نوع ماده اولیه بر ویژگی‌های شیمیایی، فیزیکی و حرارتی نیترو سلولز از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف این پژوهش، مقایسه سیستماتیک نیتروسلولزهای تولیدشده از آلفاسلولز و نانوالیاف سلولز و تحلیل دقیق عملکرد آن‌ها در شرایط مختلف نیتراسیون است.
مواد و روش‌ها: آلفاسلولز از کاه گندم، پس از انجام پیش‌تصفیه اسیدی، خمیر سازی فرایند پخت سودا-آنتراکینون،  رنگبری با دی اکسید کلر و نهایتاً استفاده از هیدروکسید سدیم 5/17%  جهت حذف همی سلولوزهای باقیمانده به دست آمد. نانوالیاف سلولز با قطر 50–10 نانومتر به‌صورت تجاری تهیه شد. فرایند نیتراسیون با استفاده از مخلوط اسید نیتریک و اسیدسولفوریک با نسبت حجمی 3:1 و در دمای 30 درجه سانتی‌گراد به مدت 45 دقیقه انجام شد. سه سطح غلظت اسید نیتریک (20، 40 و 80 میلی‌لیتر) برای بررسی اثر شدت نیتراسیون در نظر گرفته شد. پس از واکنش، محصولات به‌دقت شست‌وشو و خشک شدند. سپس ویژگی‌هایی مانند درجه استخلاف (DS)، ویسکوزیته، درجه پلیمریزاسیون (DP)، طیف‌سنجی FTIR، پایداری حرارتی به روش TGA و سرعت سوختن مورد ارزیابی قرار گرفتند.
نتایج: نیتروسلولز حاصل از آلفاسلولز (NC) در مقایسه با نیتروسلولز نانوالیاف سلولز (NNC) درجه استخلاف بالاتری داشت. در NC، مقدار DS از 151/1 در غلظت 20 میلی‌لیتر اسید نیتریک به 54/1 در 80 میلی‌لیتر افزایش یافت، درحالی‌که در NNC مقدار DS بین 088/1 تا 182/1 متغیر بود. ویسکوزیته NC از 8/359 به 9/325 سانتی‎پواز با افزایش غلظت اسید کاهش یافت، درحالی‌که در نمونه‌های NNC به دلیل رفتار پلاستیکی، اندازه‌گیری ممکن نبود. درجه پلیمریزاسیون (DP) در NC از 311 در غلظت پایین اسید به 279 در غلظت بالا کاهش یافت. طیف‌سنجی FTIR کاهش جذب باندهای O–H در محدوده cm⁻¹3200–3600 و افزایش شدت باندهای نیترو در cm⁻¹1250–1650 را نشان داد. تحلیل گرماوزن‌سنجی (TGA) بیانگر پایداری حرارتی بالاتر NNC بود، به‌طوری‌که دمای تجزیه اصلی آن از °C200–230 در NC به °C240–270 در NNC افزایش یافت. در آزمون سرعت سوختن، نمونه‌های NC با میزان متوسط 8/2 mm/s سریع‌تر از NNC با نرخ mm/s 9/1 سوختند که بیانگر واکنش‌پذیری و اشتعال‌پذیری بیشتر نیتروسلولز آلفاسلولز است.
نتیجه‌گیری: نوع ماده اولیه سلولزی، تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر خواص نهایی نیترو سلولز دارد. نیتروسلولزهای تهیه‌شده از آلفاسلولز، به دلیل ساختار یکنواخت‌تر و دسترسی آسان‌تر گروه‌های هیدروکسیل، درجه استخلاف و نرخ سوختن بالاتری دارند که آن‌ها را برای کاربردهای انفجاری و پوششی مناسب می‌سازد. در مقابل، نانوالیاف سلولز به‌دلیل ساختار نانومتری، سطح تماس بیشتر و رفتار پیچیده‌تر، نیتروسلولزی با پایداری حرارتی بهتر و واکنش‌پذیری کنترل‌شده تولید می‌کند که برای کاربردهای ایمن‌تر و دقیق‌تر مناسب است. این یافته‌ها می‌توانند به بهینه‌سازی تولید نیترو سلولز و توسعه کاربردهای نوآورانه در حوزه انرژی، زیست پزشکی و کامپوزیت‌های پیشرفته کمک شایانی کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Alinat, E., Delaunay, N., Archer, X. & Gareil, P., 2015. Correlating molar masses of nitrocelluloses with their intrinsic viscosities measured using capillary electrophoresis instrumentation. Carbohydrate polymers128, 99-104. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015. 04.013.
-Amelia, S.T.W., Widiyastuti, W., Nurtono, T., Setyawan, H., Widyastuti, W. & Ardhyananta, H., 2024. Acid hydrolysis roles in transformation of cellulose-I into cellulose-II for enhancing nitrocellulose performance as an energetic polymer. Cellulose31(16), 9583-9595. https://doi.org/10.1007/s10570-024-06173-4.
-ASTM International. 1994. ASTM D4795–94: Standard test method for nitrogen content of cellulose nitrate (nitrocellulose). West Conshohocken, PA: ASTM International. https://doi.org/10.1520/D4795-94
-ASTM International. 2022. ASTM D635–22: Standard test method for rate of burning and/or extent and time of burning of plastics in a horizontal position. West Conshohocken, PA: ASTM International
-Budaeva, V.V., Gismatulina, Y.A., Mironova, G.F., Skiba, E.A., Gladysheva, E.K., Kashcheyeva, E. I., ... & Sakovich, G.V., (2019. Bacte rialnanocellulose nitrates. Nanomateriasl, 9(12), 1694. https://doi. org/10. 3390/ nano9121694.
-De la Ossa, M.Á.F., Torre, M. & García-Ruiz, C., 2012. Determination of nitrocellulose by capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence detection. Analytica chimica acta745, 149-155. https://doi.org/10.1016/ j.aca.2012.07.032.
-Fallah, F., Khorasani, M. & Ebrahimi, M., 2018. Factors affecting the properties of nitrocellulose emulsions: A comparative study. Carbohydrate Polymers189, 267-272. https://doi.org/10. 1016/j. carbpol.2017.11.002.
-Franck, B., Hörmann, H. & Scheibe, S., 1957. Einfluss Einiger Mesomeriefähiger Substituenten Auf Die Asymmetrische NO2‐Valenzschwingung Aromatischer Nitroverbindungen. Chemische Berichte90(3), 330-338. https://doi.org/10.1002/cber.1957090 0305.
-Gismatulina, Y.A. & Budaeva, V.V., 2024. Cellulose nitrates-blended composites from bacterial and plant-based celluloses.  Polymers16(9), 1183.
-Ioelovich, M., 2024. Thermodynamic analysis of cellulose nitration. World Journal of Advanced Research and Reviews21(3), 485-494. https://doi.org/10.30574/wjarr.2024.21.3.0772.
-Jesuet, M.S.G., Musa, N.M., Idris, N.M., Musa, D.N.S. & Bakansing, S.M., 2019. Properties of Nitrocellulose from Acacia mangium. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1358, No. 1, p. 012035). IOP Publishing. http:// doi.org/10.1088/1742-6596/1358/1/012035
-John, Josmi, K.S. Archana, Ashley Mariam Thomas, Rose Leena Thomas, Jeena Thomas, Vinoy Thomas, and Unnikrishnan, N.V., 2014. Nitrocellulose Unveiled: A Brief Exploration of Recent Research Progress. Sustainable Chemical Engineering (2024): 146-167. https://doi.org/10.37256/sce.5120243950.
-Karami, M., Resalati, H., Saraean, A. and Dehghani, M., 2017. Production of alpha-cellulose from bagasse and evaluation its characteristics. Journal of Wood and Forest Science and Technology, 24(3), 183-196. doi: 10.22069/jwfst.2017.3857
-Khalid, M.Y., Al Rashid, A., Arif, Z.U., Ahmed, W. & Arshad, H., 2021. Recent advances in nanocellulose-based different biomaterials: types, properties, and emerging applications. Journal of Materials Research and Technology14, 2601-2623. https://doi.org/ 10.1016/j.jmrt.2021.07.128.
-Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindström, T., Ankerfors, M., Gray, D. & Dorris, A., 2011. Nanocelluloses: a new family of nature‐based materials. Angewandte Chemie International Edition50(24), 5438-5466. https://doi.org/ 10.1002/anie.201001273.
-Kuhn, L.P., 1949. The Infrared Spectra of Carbohydrates. https://doi.org/10.1016/S0096-5332(08)60203-9.
-Liang, C.Y., & Marchessault, R.H., 1959. Infrared spectra of crystalline polysaccharides. II. Native celluloses in the region from 640 to 1700 cm.− 1. Journal of polymer science39(135), 269-278. https://doi.org/10.1002/pol.1959.1203913 521.
-Luo, Q., Zhu, J., Li, Z., Duan, X., Pei, C. & Mao, C., 2018. The solution characteristics of nitrated bacterial cellulose in acetone. New Journal of Chemistry42(22), 18252-18258. https://doi.org /10. 1039/C8NJ02018C
-Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J. & Youngblood, J., 2011. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews40(7), 3941-3994. https://doi.org/10. 1039/C0CS00108B.
-Morris, E., Pulham, C.R. & Morrison, C.A., 2023. Structure and properties of nitrocellulose: approaching 200 years of research. RSC advances13(46), 32321-32333. DOI: 10.1039/D3RA05457H.
-Morris, E., Pulham, C.R. & Morrison, C.A., 2025. Towards understanding and directing the nitration of cellulose. Cellulose32(3), 1513-1526.
-Nasir, M., Hashim, R., Sulaiman, O. & Asim, M., 2017. Nanocellulose: Preparation methods and applications. In Cellulose-reinforced nanofibre composites (pp. 261-276). Woodhead Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100957-4.00011-5.
-Nyquist, R.A., 2001. Interpreting infrared, Raman, and nuclear magnetic resonance spectra (Vol. 2). Academic Press., Pages 173-230.
-Pourmortazavi, S.M., Hosseini, S.G., Rahimi-Nasrabadi, M., Hajimirsadeghi, S.S. & Momenian, H., 2009. Effect of nitrate content on thermal decomposition of nitrocellulose. Journal of hazardous materials162(2-3), 1141-1144. https://doi.org/ 10.1016/ j.jhazmat.2008.05.161.
-Rizkiansyah, R.R., Mardiyati, Y., Hariyanto, A., & Dirgantara, T., 2024. Selecting appropriate cellulose morphology to enhance the nitrogen content of nitrocellulose. RSC advances, 14(38), 28260-28271.
-Saito, Y., Okada, K., Endo, T. & Sakakibara, K., 2023. Highly surface-selective nitration of cellulose nanofibers under mildly acidic reaction conditions. Cellulose30(16), 10083-10095. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05488-y.
-Sun, D.P., Ma, B., Zhu, C.L., Liu, C.S. & Yang, J.Z., 2010. Novel nitrocellulose made from bacterial cellulose. journal of Energetic Materials28(2), 85-97. https://doi.org/10.1080/ 07370650903222551.
-Sun, Q. & Qiu, Y., 2022. Effects Of Nitric Acid and Sulfuric Acid on Thermal Stability of Nitrocellulose. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1322929/v1.
-Tahir, D., Karim, M.R.A., Hu, H., Naseem, S., Rehan, M., Ahmad, M. & Zhang, M., 2022. Sources, chemical functionalization, and commercial applications of nanocellulose and nanocellulose-based composites: a review. Polymers14(21), 4468. https://doi.org/ 10.3390/polym14214468.
-Trache, D., Tarchoun, A.F., Derradji, M., Hamidon, T.S., Masruchin, N., Brosse, N. & Hussin, M.H., 2020. Nanocellulose: from fundamentals to advanced applications. Frontiers in chemistry8, 392. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00392.
-Tsuboi, M., 1957. Infrared spectrum and crystal structure of cellulose. Journal of polymer science25(109), 159-171. https://doi.org/ 10.1002/pol.1957.1202510904.
-Wang, Q., Gu, Y., Ren, C., Liu, H. & Su, P., 2021, March. Effect of acid concentration on thermal stability of nitrocellulose (NC) for civil use. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 714, No. 2, p. 022018). IOP Publishing. https://doi.org /10.1088/1755-1315/714/2/022018
-Xu, Y., Ding, H.G. & Shen, Q., 2007. Influence of the Degree of Polymerization on surface Properties of Cellulose. Chinese Cellulose Science and Technology15, 53-56.
-Yusuf, M.O., 2023. Bond characterization in cementitious material binders using Fourier-transform infrared spectroscopy. Applied Sciences13(5), 3353. https://doi.org/10.3390/ app13053353.