ساخت و مشخصه‌یابی نانوکامپوزیت هیدروژلی سوپرجاذب بر پایه‌ی کیتوزان حاوی نانو الیاف استخراج شده سلولزی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nowadays, most researches have been carried out on biocompatible and biodegradable materials as a substitute for fossil fuels and synthetics. In this study, the properties of hydrogel nanocomposites based on carboxymethyl chitosan reinforced by cellulose nanofibers for hygienic and medical applications were investigated.. First, cellulose nanofibers were extracted from sugarcane bagasse as a low price resource. To isolate cellulose fibers, several steps were applied to remove non-cellulosic materials such as lignin, hemicellulose, and extractives from raw fibers. During the process of extracting, the raw material was initially hydrolyzed with deionized water without any chemicals. This step removes hemicellulose and extractives. Afterward, the pulping process was carried out with the lowest amount of materials and energy using 17.5% Sodium Hydroxide and Anthraquinone. In order to reduce chemicals, the green ozone bleaching process was designed and the processing conditions were optimized. Then, an ultrasonic process was used to disintegrate cellulose microfibers to nano scale. The characterization results showed that the extracted nanofibers contained 93% cellulose and no lignin and the crystallinity of fibers was increased from 0.89% to 1.26%. By analyzing Scanning electron microscopic images, The nanofibers diameter was determined to be between 40-120 nm. Since no acid was used in extraction process, the extracted fibers have relatively longer length which causes flexibility and more swelling of the hydrogel. In this study, carboxymethyl chitosan was used as the nanocomposite matrix due to its high water solubility. Moreover, Glutaraldehyde is employed as a crosslinking agent for carboxymethyl chitosan. The nanocomposite was prepared by different percentages of nanofibers (5, 7, 10 wt %). The prepared freeze nanocomposite gel with liquid nitrogen was dried to prepare superabsorbent hydrogel nanocomposites. The morphology of composites was investigated by scanning electron microscope and changes in morphology were observed with the addition of nanofibers. Due to presence of polar cellulose nanofibers, swelling was improved about 53%. The maximum water absorption of the hydrogel with 5% cellulose nanofiber at room temperature was obtained to be 256 g/g of dry hydrogel. The amount of water absorbed for nanocomposites containing 5% nanofibers compare to pure hydrogel was increased from 165 to 265 g/g. The swelling rate in different salts for hydrogels containing 10% nanofibers was improved about 46%. Adding cellulose nanofibers increased the amount and diffusion rate of liquids which is due to of hydrophilic groups and high surface area.These results indicated that these smart hydrogel nanocomposites are suitable to use as superabsorbents in hygienic and medical applications Keywords: Hydrogel superabsorbent, carboxymethyl chitosan, cellulose nanofiber, ozone bleaching, hygienic applicatio

امروزه بیشترین تحقیقات در زمینه مواد زیست سازگار و زیست تخریب‌پذیر، جایگزین مواد سنتزی و فسیلی مخرب محیط زیست، انجام می‌شود. دومین پلیمر طبیعی از نظر فراوانی کیتین است. در این پژوهش سعی شده است که با افزودن نانو الیاف سلولزی خواص این پلیمر تقویت شود و خواص کامپوزیت‌های حاصله برای کاربردهای پزشکی و بهداشتی بررسی و مطالعه گردد. بدین منظور نانو الیاف سلولزی از تفاله (باگاس) نیشکر که ارزش اقتصادی چندانی ندارد، استخراج شده است. استخراج الیاف سلولزی شامل مراحلی به منظور حذف مواد غیرسلولزی همچون لیگنین، همی‌سلولز و استخراجی‌ها از الیاف خام می‌باشد. پس از جدا سازی الیاف سلولزی یک مرحله مکانیکی برای تولید نانو الیاف سلولزی به کار گرفته شد. در طول فرآیند استخراج ابتدا الیاف بوسیله آب دیونیزه، و بدون هیچ ماده شیمیایی هیدرولیز می‌شود که این مرحله سبب حذف همی‌سلولز و استخراجی ها می‌شود. مرحله خمیرسازی نیز با کمترین سطح انرژی و مواد شیمیایی با 5/17% سدیم هیدروکسید و آنتراکینون انجام شده است. به منظور کاهش مصرف مواد شیمیایی مرحله سفیدگری سبز، با ازن طراحی و شرایط آن بهینه سازی شد. با به کار گیری امواج مافوق صوت نانو الیاف سلولزی تهیه شد. در انتها ماده حاصل حاوی 93% سلولز و حدودا عاری از لیگنین می‌باشد که این امر باعث صرفه جویی انرژی در تولید نانو الیاف سلولزی و همچنین کاهش قطر نانو الیاف می‌شود. از نتایج طیف سنجی الیاف مشخص گردید که میزان بلورینگی الیاف از 89/0% به 26/1%رسیده است. قطر نانو الیاف با بررسی تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی 120-40 نانومتر محاسبه شد. بدلیل استفاده نکردن از هیچ اسیدی در مراحل استخراج طول الیاف نیز نسبتا بلندتر است که باعث انعطاف پذیری و تورم بیشتر در هیدروژل می‌گردد. یکی ازمهمترین مشتقات کیتوزان، کربوکسی متیل کیتوزان است که قابلیت انحلال در آب را داراست. در این پژوهش از کربوکسی متیل کیتوزان به عنوان زمینه نانوکامپوزیت استفاده شد. به منظور تهیه نانوکامپوزیت محلول 1% وزنی کربوکسی متیل کیتوزان تهیه شد و این محلول بخوبی با درصدهای 5، 7، 10% نانوالیاف سلولزی مخلوط شد. از گلوتارآلدهید به عنوان عامل شبکه ای کننده کربوکسی متیل کیتوزان استفاده شد. ژل تهیه شده با نیتروژن مایع منجمد گردید و سپس به روش خشک کردن در حالت انجماد، سوپرجاذب پلیمری تهیه و مشخصه‌یابی شد. چون نانو الیاف سلولزی حاوی گروه‌های هیدروکسیل است باعث بهبود عکس‌العمل هیدروژل نسبت به pH شده است وحدود 53% بهبود تورم مشاهده شد. حداکثر جذب آب این هیدروژل در دمای محیط با 5% نانوالیاف سلولزی 256 گرم به ازای یک گرم هیدروژل خشک بود. میزان تورم نیز در نمک‌های مختلف با افزودن 10% نانوالیاف باگاس حدود46 % بهبود یافته است. این امر باعث مناسب‌تر شدن کاربرد ،کربوکسی متیل کیتوزان به جای پلی (اکریلیک اسید) در کاربرد های بهداشتی می‌شود واز این ماده به عنوان جایگزین می‌توان استفاده نمود. بوسیله تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز مورفولوژی کامپوزیت بررسی شد و تغییر مورفولوژی با افزودن نانوالیاف مشاهده شد. افزودن نانو الیاف سلولزی بدلیل گروه های آبدوست و سطح مقطع بالای نانو الیاف سرعت و مقدار نفوذ مایعات را افزایش داده است. با افزایش توان نفوذ و تخلخل ژل به ترتیب از 41/0 و 191/0 به 54/0 و 218/0 سرعت نفوذ افزایش یافته است و مقدار جذب آب از 165 به 265 گرم به ازای هر گرم سوپرجاذب خشک رسده است. این مشخصه یابی نشان داد که این ماده هوشمند برای کاربردهای تخصصی و تکنولوژیکی مناسب است. کلمات کلیدی: سوپرجاذب هیدروژلی، ،کربوکسی متیل کیتوزان، نانوالیاف سلولزی، سفیدگری با ازن، کاربرد بهداشتی