تهیه و ارزیابی آیروژل نانو سلولزی کندسوز شده با سدیم بی کربنات

سابقه و هدف: آیروژل‌های نانوسلولزی مواد جامد، متخلخل و با اندازه‌ منافذ نانومتری هستند که از جایگزینی مایع (هیدروژل) با گاز تشکیل شده‌اند. تهیه‌ی آیروژل‌های نانوسلولزی شامل دو مرحله اصلی تهیه هیدروژل از یک محلول و حذف حلال از طریق تصعید به روش خشک‌کردن انجمادی یا فوق بحرانی با تبادل حلال انجام می‌شود. این مواد به واسطه‌ی ویژگی‌های مطلوب نظیر دانسیته فوق سبک، ساختار متخلخل، زیست ‌تخریب‌پذیر و دوست‌دار محیط زیست بودن، طیف کاربردی گسترده‌ای در صنایع مختلف از جمله پزشکی، دارویی، نظامی، دفاعی و ... دارند. به رغم مزایای فوق، دارای معایبی همچون قابلیت اشتعال‌‌ در معرض حرارت یا آتش نیز هستند که کاربرد آن‌ها را در بسیاری از موارد محدود می‌کند. بنابراین اصلاح نانوالیاف سلولزی با مواد کندسوزکننده امری ضروری به نظر می‌رسد.مواد و روش‌ها: برای تولید آیروژل‌های نانوسلولز، ژل نانوسلولز با غلظت 2 درصد وزنی، از شرکت نانونوین ‌پلیمر تهیه شد. به منظور کندسوز کردن آیروژل‌های نانوسلولزی، سدیم‌بی‌کربنات‌ به میزان 20 درصد وزن خشک ژل نانوسلولز، به آن افزوده شد. سوسپانسیون حاصل به مدت 30 دقیقه، روی همزن مغناطیسی با سرعت 1200 دور‌ در دقیقه قرار گرفت تا هیدروژل یکنواختی تشکیل شود. سپس هیدروژل‌های نانو سلولز شاهد (cnf) و تیمار شده با سدیم‌بی‌کربنات‌ (cnf+sbc) در قالب‌های مسی ریخته شد و به مدت 24 ساعت در یخچال با دمای 2 درجه سانتی‌گراد قرار گرفت. پس از آن، قالب‌ها از یخچال خارج و جهت انجماد سریع، مستقیما به حمام نیتروژن مایع منتقل شدند. بلافاصله قالب های موردنظر به مدت 48 ساعت، در دستگاه خشک‌کن انجمادی قرار گرفته و آیروژل نانوسلولزی شاهد و تیمار‌شده با سدیم‌بی‌کربنات‌ تهیه شدند.یافته‌ها: نتایج حاصل از طیف ftir، حضور سدیم‌بی‌کربنات در ساختار آیروژل‌های کندسوز شده را تایید کرد. همچنین، بر اساس مشاهدات sem و bet، مشخص شد که این ماده در آیروژل نانوسلولزی موجب کاهش تخلخل و مساحت سطح ویژه گردید. در بررسی ویژگی‌های حرارتی آیروژل‌ها گزارش شد که آیروژل‌های نانوسلولزی شاهد پایداری حرارتی کمتری نسبت به آیروژل‌های نانو سلولزی کندسوز داشتند و باقیمانده نمونه‌های تیمار شده حدود 30 درصد بیشتر از آیروژل‌های نانوسلولزی شاهد بود. آزمون اشتعال‌پذیری نیز صحت این ادعا را تایید کرد و حضور دی‌اکسید‌کربن با محدود کردن اکسیژن مورد نیاز در حین فرآیند اشتعال محدود، از سوختن بیشتر آیروژل جلوگیری کرد. ساختار بلوری سلولز در آیروژل‌های نانو سلولزی حاوی سدیم‌بی‌کربنات نسبت به شاهد، بدون تغییر باقی ماند و مقاومت و مدول فشاری آیروژل تیمار شده به دلیل کاهش درجه بسپارش، نسبت به آیروژل نانوسلولز شاهد کاهش یافت. برای این محصول می‌توان کاربردهایی اعم از صنعت ساختمان‌سازی یا عایق حرارتی در صنایع نفت و گاز و نساجی و ابزارهای ذخیره و تولید انرژی متصور شد. نتیجه‌گیری: به ‌طور‌‌کلی تیمار سدیم‌بی‌کربنات به تولید آیروژل‌های نانو سلولزی سبک و کندسوز‌ انجامید که کاملاً سبز و دوست‌دار محیط زیست می‌باشد.

preparation and evaluation of flame-retarded nano cellulose aerogel with sodium bicarbonate

background and objectives: nanocellulosic aerogels are solid, porous materials with nanometeric pore size, which are formed by replacing liquid (hydrogel) with gas. the preparation of nanocellulosic aerogels consists of two main steps: preparation of hydrogel from a solution and removal of solvent through sublimation by freeze drying or supercritical method with solvent exchange. due to desirable characteristics such as ultra light density, porous structure, biodegradable and being environmental friendly, these materials have a wide range of applications in various industries, such as medicine, pharmaceutical, military, defense, etc. despite the above advantages, they also have disadvantages such as flammability when exposed to heat or fire, which limits their use in many cases. therefore, it seems necessary to modify cellulose nanofibers with flame retardants.materials and methods: to prepare of nanocellulose aerogels, 2% wt concentration nanocellulose gel was prepared from nanonovin polymer company. in order to prepare of flame retarding nanocellulose aerogels, 20% wt of dry weight of nanocellulose gel, sodium bicarbonate was added. this suspension was placed on a magnetic stirrer at a speed of 1200 rpm for 30 minutes to form a uniform hydrogel. then, control nanocellulose (cnf) and treated with sodium bicarbonate (cnf+sbc) hydrogels were poured into copper molds and placed in a refrigerator at 2°c for 24 hours. after that, the molds were taken out of the refrigerator and transferred directly to the liquid nitrogen bath for quick freezing. immediately, they were placed in a freeze dryer for 48 hours, and control and treated nanocellulose aerogels with sodium bicarbonate were prepared.results: the results of the ftir spectrum confirmed the presence of sodium bicarbonate in flame retarded aerogels structure. also, based on sem and bet observations, it was found that this substance in nanocellulosic aerogel reduced the porosity and specific surface area. in the study of the thermal characteristics of aerogels, control nanocellulose aerogels had lower thermal stability than flame retarded nanocellulose aerogels, and the residue of the treated samples was about 30% more than the control nanocellulosic aerogels. the flammability test also confirmed this claim, and the presence of carbon dioxide prevented aerogel from more burning by limiting the oxygen needed during the ignition process. the crystalline structure of cellulose in nanocellulose aerogels containing sodium bicarbonate remained unchanged compared to the control, and the compression strength and modulus of the treated aerogel decreased compared to control aerogels due to decrease of polymerization degree. for this product, we can imagine applications in the construction industry or thermal insulation in the oil and gas and textile industries, as well as energy storage and production tools.conclusion in general, sodium bicarbonate treatment led to the production of lightweight and flame retarded nano cellulose aerogels, which are completely green and environmental friendly.