معضلات ناشی از مصرف بیرویه پلاستیکهای معمولی و خطرات زیست محیطی آن، به طور جدی زندگی بشر و پیرامونش را تهدید میکند. پلاستیکهای تخریبناپذیر در محیط دریا و اقیانوسها توسط جانداران دریایی بلعیده میشوند. همچنین این مواد حاوی مواد بسیار سمّی از قبیل بىفنيل چندکلری[1] و دیکلرودیفنیلتریکلرواتان[2] با غلظتهایی در حد 104-103 مرتبه بالاتر از غلظت معمول آنها در آب اقیانوس میباشند. این دو مورد، از مشکلات خاص این مواد مصنوعی هستند [1]، [2]، [3]، [4] و [5]. زیستپلاستیکها معمولاً برحسب پلاستیکهای ساختهشده از مواد تجدیدپذیر (مانند اتانول از نیشکر) و پلاستیکهای زیستتخریبپذیر، طبقهبندی میشوند. بنابراین برای مقابله با مشکلات زیست محیطی مربوط به زبالههای پلاستیکی، باید بر روی توسعه پلاستیکهای زيستتخریبپذیر سازگار با محیط زیست تمرکز نمود.
در سالهای اخیر اقبال جامعه جهانی به توسعه زیستموادی کاملاً جدید و سازگارتر با محیط زیست، مانند نانومواد سلولزی، و جایگزینی پلاستیکهای مبتنی بر نفت خام و مواد معدنی با این مواد تجدیدپذیر بوده است. این امر ارزش افزودهای را برای الیاف چوبی فراهم میآورد. توسعه نانوالیاف سلولز یاCNF [3] در این راستا، سهم مهمی را دارا میباشد. در طول دهه گذشته، تعداد روبهرشدی از گروهها، مؤسسات و شرکتهای تحقیقاتی در سراسر جهان، در مورد تولید و کاربرد CNF در مقیاس بزرگ گزارشهایی را تهیه کردهاند. پیشرفت تحقیقات علمی و فنی، گسترش فعالیتهای صنعتی و شروع ورود CNF به بازارهای جهانی، ما را بر آن داشت تا این گزارش را در مورد خواص کلیدی، قابلیتهای نوآورانه و کاربردهای آینده نانومواد سلولز در صنایع مختلف، تهیه و ارائه نماییم. امروزه نانوسلولز به عنوان کاندیدایی ایدهآل در حوزههای کاربردی مختلف، به شکل گستردهای مورد بررسی و تحقیق واقع شده است. افزودنیهای استحکامبخش در کاغذسازی، عوامل تقویتکننده در نانوکامپوزیتها، مواد و مصالح ساختمانی، لایههای نازک، بستهبندیهای زيستتخریبپذیر، اجزاء پایدارکننده و … از جمله زمینههای کاربردی بالقوه این مواد هستند.
1- فناوری نانو
فناوری نانو عبارت است از درک و کنترل مواد در مقیاس نانومتری (در ابعاد تقریبی بین 1 تا 100 نانومتر)، که در آن مقیاس پدیدههای منحصر به فرد، کاربردهای جدید را ممکن میسازد. در این مقیاس، مواد میتوانند خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و زیستی غیرعادی از خود نشان دهند. به طور خلاصه فناوری نانو به معنی مهندسی نمودن مواد در ابعاد اتمی-مولکولی و ساخت موادی با خواص کاملاً متفاوت در ابعاد نانومتری است. نانومواد سلولز نیز به دلیل خواص مناسبی که دارند، در این فناوری مورد توجه قرار گرفتهاند.
2- نانومواد سلولز
اگر یک ذره سلولز دارای حداقل یک بعد در مقیاس نانومتری (nm 1 تا nm 100) باشد، به آن نانوذره سلولز گفته میشود. دو بعد دیگر ذره میتوانند از مقیاس نانومتری تا دهها میکرومتر تغییر کنند. نانومواد سلولز نیز، موادی در مقیاس نانومتری هستند. این مواد از درختان، گیاهان و جلبکها مشتق شده و یا توسط باکتریها و جانوران نیامدار[4] تولید میشوند [6]. ویژگی مهم نانومواد سلولز این است که از منابع تجدیدپذیر و بسیار فراوان به دست میآیند و بنابراین منابع استحصال آنها از بین نمیرود و در صورت تحقق و گسترش کاربردهای آنها، امکان تولید در سراسر جهان و در مقادیر بسیار زیاد (میلیونها تن در سال) وجود دارد. از طرفی این نانومواد زیستتجزیهپذیر بوده و به همین دلیل محصولات حاوی آنها، قابلیت بازیافت خواهند داشت. بنابراین، تولید و کاربرد نانومواد سلولزی به صورت بالقوه دارای مزایای زیستمحیطی قابل توجهی میباشد. منابع مختلف مواد اولیه و نیز روشهای مختلف تولید، منجر به تولید نانومواد سلولز با مورفولوژی و خصوصیات متفاوت مانند طول، نسبت ابعاد، شاخهداربودن و بلورینگی خواهد شد [7]. محدوده وسیع خواص و مورفولوژی شناخته شده برای نانومواد سلولز، زمینهساز انواع کاربردهای بالقوه آن در صنایع مختلف است.
نانومواد سلولز به سه گروه عمده شامل 1- نانوفیبریلهای سلولز (NFC یا CNF)[5]، 2- نانوبلورهای سلولز (CNC)[6] یا سلولز نانوبلورین (NCC)[7] و 3- نانوسلولز باکتریایی (BNC)[8] تقسیمبندی میشوند [8]. گرچه، مانند برخی منابع، نانوکامپوزیتهای مبتنی بر نانوسلولز را نیز میتوان به عنوان دسته چهارم به شمار آورد. CNF به عنوان یک ماده طبیعی با عملکرد بالا در نظر گرفته میشود [8], [9], [10] و [11]. CNF دارای مزایای عمدهای در مقایسه با سایر زیستپلاستیکها مانند مشتقات نشاسته، کیتوسان[9] و همیسلولز[10] میباشد. به همین علت از CNF به عنوان عامل تقویتکننده در زیستکامپوزیتها و بستهبندیهای سخت استفاده میشود. این امر ناشی از ناهمسانگردی[11]، مساحت سطح و مدول بالای نانوفیبریلهای سلولز میباشد.
ساخت نانوسلولز، اولین بار توسط توربک[12] [12] و هریک[13] [13] و همکارانشان در شرکت آیتیتی ریونیر[14] در ایالات متحده آمریکا در اواخر دهه 1970 انجام شد. نانومواد سلولز را میتوان با روشهای پیش آمادهسازی شیمیایی/آنزیمی و عملیات همگنسازی، از چوب و گیاهان جدا نمود [12]. نانوسلولز را میتوان با عبور دادن سوسپانسیونهای الیاف سلولزی مبتنی بر چوب در طول دستگاههای مکانیکی مانند همگنسازهای فشار بالا یا آسیابهای بسیار بزرگ تولید نمود [12]، [14]و [15]. در این عملیات مکانیکی، الیاف چوب ورقهورقه شده و نانوفیبریلهایی با عرض تقریبی60-20 نانومتر ایجاد میشود. نانوفیبریلهای تولیدشده از این طریق، دارای نسبت ابعاد بالایی بوده و در آب خصوصیات ژل مانند همراه با خواص شبهپلاستیک و تیکسوتروپیک از خود نشان میدهند.
مشکل اصلی تولید تجاری نانوسلولز، مصرف بسیار بالای انرژی (تا مقداری متجاوز بر 30000 کیلوواتساعت/تن) میباشد [8]. گرچه اخیرا روشهایی برای کاهش مصرف انرژی در تولید نانوسلولز توسعه داده شدهاند. این روشها شامل پیشآمادهسازی الیاف همراه با روشهای مختلف آنزیمی، شیمیایی و فیزیکی قبل از همگنسازی میباشند. برخی روشها مانند پیشآمادهسازی آنزیمی [14]، در کاهش مصرف انرژی به میزان %98 در طی همگنسازی، موفقیتآمیز بوده است. امروزه روشهای پیشآمادهسازی متعددی برای تسهیل ورقهورقهشدن الیاف خمیر کاغذ مانند واردسازی بارهای الکتریکی به وسیله کربوکسیمتیلسازی[15] (وارد کردن گروه کربوکسیمتیل به درون ترکیب) [16]، اکسیداسیون با TEMPO واسطه[16] ( [17] و [18] ) و کاتیونرفتاری[17] (اعمال کاتیون معمولاً در یک حمام الکترولیتی) ( [19] و [20] ) به کار برده میشوند.
نانوسلولز را میتوان از الیاف بومی[18] نیز به وسیله آبکافت اسیدی به دست آورد که منجر به حصول نانوذرات بسیار بلورین و سخت (CNC یا NCC) میشود. این نانوذرات، از CNF به دست آمده از طریق همگنسازی، کوتاهتر (1000-100 نانومتر) میباشند [21]. نانوسلولز باکتریایی (BNC) به وسیله چندین گونه از باکتریهای تخمیری تشکیل میشود. در مقایسه با مواد CNF و CNC جداشده از منابع سلولز، BNC به عنوان یک غشاء سلولزی نسبتاً خالص و خیلی آبدار به وسیله ترکیبی از فرآیندهای آرایش یافتن زیستی، از منابع کربن با وزن مولکولی کم مانند دی-گلوکز[19] تولید میشود [8]. برطرف کردن تودههای زیستی اضافی از جنگلهای از کنترل خارج شده و بسیار پوشیده و تبدیل آنها به محصولاتی با ارزش بالاتر مانند نانوسلولز، برای محیط زیست و اقتصاد، یک موفقیت چشمگیر محسوب میشود.
3- اهمیت، خواص و پتانسیلهای کاربردی نانومواد سلولز
نانومواد سلولز میتوانند بسیاری از کاربردها و محصولات نوین را ایجاد کنند. تمامی شکلهای نانومواد سلولز سبکوزن، مستحکم و سفت هستند. نانوسلولز از آرایهای از بلورهای سوزنی شکل که به شکلی فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند، تشکیل شده است، بنابراین خواص مکانیکی عالی آن قابل توجیه است. نانوسلولز تلفیقی از خواص مناسب را در خود دارد. سفتی بالا ( مدول کششی GPa 145-29) ( [22] و [23] )، مقاومت کششی بالا (MPa 7500) [24]، وزن مخصوص کم (دانسیته تقریبی g/cm3 1.5) و سطح ویژه بزرگ (m2/g 482) [25] استعداد کاربردی زیادی در این ماده ایجاد کرده است. علاوه بر این، قیمت فعلی نانومواد سلولزی بسیار مناسب و در حدود 10-4 دلار به ازای هر کیلوگرم است. پیشبینی میشود که نانومواد سلولز، نسبت استحکام به وزن چشمگیری داشته باشند. مجموع این ویژگی ها منجر به جذابیت استفاده از این مواد در نزد مشتریان میشود [6]. نانوبلورهای سلولز دارای خواص فوتونیک و پیزوالکتریک میباشند. با استفاده از نانوفیبریلهای سلولز میتوان هیدروژلها و آئروژلهای بسیار پایداری را ساخت. نانومواد سلولز اصلاح نشده تاکنون نگرانیهای محیطزیستی، سلامتی و ایمنی (EHS)[20] کمتری را نسبت به دیگر مواد مشابه نشان دادهاند [7].
رایجترین زمینهها برای نشاندادن کاربردهای متنوع نانومواد سلولزی و فرصتهای تجاری مربوط به آنها، زمینههای کاربردی خودرو، هوافضا، ساختوساز، الکترونیک، لوازم آرایشی و بهداشتی، پوشش و رنگ، بستهبندی مواد غذایی، مقوا و بستهبندی، کاغذهای خاص و نانوکامپوزیتها میباشند. در ادامه این گزارش، سعی میشود تا به طور مختصر هر یک از این حوزهها بررسی شوند.
4- کاربردهای نانومواد سلولز در صنایع مختلف
در حال حاضر، نانومواد سلولز پتانسیل خیلی بالایی برای کاربرد در بسیاری از زمینهها شامل الکترونیک (مانند صنایع الکترونیکی انعطاف پذیر و حسگرها)، ساختوساز (مانند آئروژلها، سیمان)، بستهبندی (مانند مواد بستهبندی سبکوزن)، مواد غذایی (مانند افزودنیهای غذایی)، پزشکی (مانند داربست بافت)، صنایع نفت و گاز (مانند مواد افزودنی در حفاری نفت)، صنعت کاغذ و چاپ، انرژی، محصولات بهداشت و سلامت، قطعات خودرو (مانند تایر و سپر)، فناوری فضایی و دفاعی، روکش و رنگ، اصلاح کنندههای رئولوژیکی و چسب از خود نشان دادهاند. همچنین از نانوسلولز برای ساخت آئروژلهای فوق جاذب[21]، اتومبیلهای بسیار کارآمد از لحاظ مصرف سوخت[22] و سوختهای زیستی[23] نیز استفاده میشود. در شرکتهای داروسازی نیز از نانوسلولز به عنوان ماده چسباننده در تولید قرص استفاده میشود. کاربردهای نانوسلولز در ساخت تامپون[24] و درمان پیشرفته زخمها به تدریج در حال گسترش است. نقش حیاتی این نانومواد در محصولات فعلی مراقبت بهداشتی به سرعت رو به گسترش میباشد. نانوسلولز به عنوان جایگزین مناسبی برای مواد گران قیمت مانند الیاف و نانولولههای کربنی مطرح شده است. در حالی که قیمت الیاف کربن به بیش از 20 دلار به ازای هر کیلوگرم میرسد، نانوبلورهای سلولزی دارای قیمت 10-4 دلار به ازای هر کیلوگرم میباشند. به همین سبب، نانومواد سلولزی برای کاربرد به عنوان تقویتکننده ساختار کامپوزیتهای پلیمری سودمند هستند [26].
4-1- حوزه خودرو
فناوری نانو و نانومواد برای صنعت خودرو بسیار با اهمیت میباشند، چرا که همزمان با برآوردن نیازهای مشتری و لازمههای مشخص شده در استانداردها و مراجع ناظر، عملکرد اتومبیلها را نیز بهبود میدهد. بر طبق آخرین ارزیابی انجام شده، قیمت محصولات مبتنی بر فناوری نانو که در صنعت اتومبیل در سال 2010 استفاده شدهاند، تقریباً 246 میلیون دلار بوده است و بر اساس تخمینها این رقم تا پایان سال 2015 به بیش از 888 میلیون دلار (محاسبه به صورت محافظهکارانه) و یا 1852 میلیون دلار (محاسبه به صورت خوش بینانه) خواهد رسید [27]. مواد میکرومتری و نانومتری مبتنی بر سلولز به دلیل فراوانی میزان دسترسی آنها، تجدیدپذیری، چگالی کم، ماهیت زیستمحیطی بیخطر (غیرسمی بودن) و خواص مکانیکی برجسته [28] ، [29]، [30]، [31]، [32]، [33]، [34] و [35]، در صنعت اتومبیل مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند.
توسعه مواد سبکوزن یک هدف کلیدی برای صنعت خودرو میباشد. صنعت خودرو به سوی استفاده از مواد سبکوزن و محکم به منظور افزایش راندمان سوخت وسایل نقلیه حرکت میکند. به همین دلیل است که سازندگان اتومبیل به دنبال مواد و شیوههای جدیدی برای ایمن ساختن اتومبیل و در عین حال سبکتر کردن وزن آن میباشند [36]. به عنوان مثال، شرکت BMW یک بدنه کامل خودرو از جنس الیاف سبکوزن کربن، پلاستیک تقویتشده همراه با برخی قسمتهای داخلی ساختهشده از اجزاء چوبی توسعه داده است که در شکل 1- الف نشان داده شده است. مثال دیگر شرکت Volvo است که به منظور کاهش وزن پنلها، پنل داخلی درب را از کامپوزیت چوب/پلاستیک ساخته است که در شکل 1- ب نشان داده شده است. بر طبق برآورد CAFE [25]، کاهش 10 درصدی وزن یک خودرو میتواند مصرف سوخت آن را 8-6 درصد کاهش دهد [37].
| الف | |
| ب | |
| شکل 1- الف) خودرو BMW مدل i8 از جنس الیاف سبکوزن کربن و پلاستیک تقویتشده ب) قسمتهای داخلی درب خودرو VOLVO | |
از جمله کاربردهای نانومواد سلولز در حوزه خودرو میتوان به کاربرد کامپوزیتها و روکشهای سطحی مبتنی بر نانومواد سلولز در اجزای بدنه، فضای داخلی و پنلهای داخلی اتومبیل اشاره نمود. به دلیل پتانسیل مواد و کامپوزیتهای مبتنی بر نانومواد سلولز در کاهش وزن اجزاء ضمن حفظ استحکام، از آنها در اجزاء بدنه اتومبیل استفاده میشود. همچنین در مورد فضای داخلی خودرو نیز مزیت استفاده از نانومواد سلولز این است که ظاهر و مقاومت سطح را در برابر سایش و خراش بهبود داده و ظاهری موزون و وزنی سبک را فراهم میسازد. از دیگر کاربردهای نانومواد سلولز در حوزه خودرو میتوان به کاربرد آنها در صندلیها، کف اتاق[26]، روکش سقف، داشبورد، تایر، لامپهای جلو و سپر اتومبیل اشاره نمود. نمونهای از این محصولات درشکل 2 نشان داده شده است. کاربرد نانومواد سلولز، قابلیت بازیافت اجزاء اتومبیل را بهبود داده و قسمتهایی از اتومبیل که از مواد پایدار ساخته شده است را افزایش میدهد. همچنین نشان داده شده است که فومهای مبتنی بر نانوسلولز دارای سفتی استثنايى بوده و برای کاربرد به عنوان مواد ضربهگیر مناسب میباشند [38]، [39] و [40].
| شکل 2- نمونهای از کاربردهای نانومواد سلولزی در صنعت خودرو | ||
4-2- حوزه هوافضا
به دلیل قابلیت نانوکامپوزیتها در کاهش وزن، تلاشهای زیادی برای کاربردی کردن و تجاریسازی آنها در صنایعی مانند هوافضا در حال انجام است. با توجه به بحث پایداری، کاربرد ویژه قطعات نانوکامپوزیتی تقویتشده با مواد زیستی و روکشهای نانوساختار در حوزههای خودرو، هوافضا، ساختوساز، پزشکی و بستهبندی به سرعت در حال افزایش میباشد. این نانوکامپوزیتهای سبز با وجود چگالی کم، وزن سبک و هزینه بالقوه کم، استحکام مکانیکی بالایی را فراهم میآورند [41]. از جمله خواص بهبودیافته توسط این نانوکامپوزیتها میتوان به پایداری ابعادی، استحکام ساختاری، مقاومت گرمایی، مقاومت شیمیایی، کاهش وزن و هدایت الکتریکی اشاره نمود. این کاربردها به دلیل شرایط لازم برای کارایی بالای مواد جدید در هوافضا، در دستههای کاربردی با حجم کم قرار میگیرند، اما در زمانی طولانیتر احتمال میرود که نانوکامپوزیتهای تقویتشده با نانوسلولز در کاربردهای گستردهتری مورد پذیرش قرار گیرند [42].
علاوه بر ساختارهای هوایی، قطعات داخلی بسیاری نیز با استفاده از مواد سبکوزن برای صنایع هوایی طراحی شدهاند. از این نانومواد در کاربردهای متداولی چون کاربرد در تختههای کف[27]، پوشش داخلی سقف[28]، پنلها، پایهها و دیگر اجزاء استفاده میشود، اما امروزه کاربرد نانوکامپوزیتها در ساخت صندلیها در کانون اصلی توجه قرار گرفته است [43]. سبکسازی صندلیها میتواند کاهشهای عمدهای را در وزن هواپیما ایجاد نماید. طراحی باریک صندلیها نیز به مهندسان این اجازه را میدهد تا تعداد صندلیهای هواپیما را هرچند جزئی افزایش دهند. استفاده از کامپوزیتها در صندلیها، روکشهای سطحی اجزای بدنه، فضای داخلی و همچنین در قطعات گوناگونی مانند براکتها[29]، گیرهها[30]، میزهای پذیرایی[31]، پایهها[32] و دیگر ساختارها در حال افزایش میباشد. با کاهش وزن هواپیما، بازده سوخت افزایش یافته و انتشار گازهای گلخانهای نیز کاهش مییابد [42]. همچنین ممکن است از اجزاء حاوی نانومواد سلولز، برای تهیه مواد سیمکشی و ساخت محفظه[33] ماهوارهها نیز استفاده شود. در این مورد، مزیت استفاده از نانومواد سلولزی، کاهش وزن، بهبود پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی میباشد.
به طریق مشابه با حوزه خودرو، کاربرد نانوسلولز در این صنعت نیز به دو دسته کاربرد در اجزاء ساختاری و اجزاء داخلی تقسیمبندی میشود. در دسته اجزاء ساختاری باید بیان نمود که سالیانه تقریباً 1500 هواپیمای تجاری ساخته میشود. اندازه کل بازار برای تمام کامپوزیتهای ساختاری برابر 8800 تن میباشد [44]. از آنجایی که در چند سال اخیر شرایط اقتصادی بهبود یافته و برنامههای جدیدی نیز ایجاد شدهاند، سازندگان اجزاء هواپیما، نرخ تولید کامپوزیتها را با حفظ کیفیت آنها به منظور برآورده ساختن نیازهای شرکتهای هواپیمایی، افزایش دادهاند. تقریباً %65 از کامپوزیتها با استفاده از الیاف تقویتکننده ساخته میشوند که از این میان، میزان بالقوه بازار برای نانومواد سلولزی در حال حاضر 5750 تن میباشد. کامپوزیتهای تقویتشده با CNF به طور مستقیم با کامپوزیتهای فوق مستحکم تقویتشده با الیاف کربن به منظور جایگزینی مستقیم ورقههای آلیاژ آلومینیوم رقابت خواهند کرد، اما انتظار نمیرود که این مواد به طور کامل به بازار نفوذ داشته باشند. ممکن است میزان بازار از مقدار 575 تن (میزان %10 نفوذ به بازار) تا 2900 تن (میزان %50 نفوذ به بازار) با مقدار تخمینی متوسط 1700 تن (میزان %30 نفوذ) در سال تغییر داشته باشد. در مورد اجزاء داخلی OEM [34] باید بیان نمود که تقریباً 15000 تن از مواد کامپوزیتی هم در هواپیماهای جدید و هم هواپیماهای بازسازیشده به منظور جایگزین کردن قطعات آلیاژ آلومینیوم، استفاده میشوند. بازار ایجاد شده توسط بازسازی هواپیماها در حقیقت دو برابر بزرگتر از بازار هواپیماهای جدید میباشد. به دلیل این که صنایع هوایی موجود میتوانند از این مواد بسیار سبک سود ببرند، بازار بالقوه نانومواد سلولزی 9800 تن میباشد [44]. کامپوزیتهای تقویتشده با CNF به طور مستقیم با کامپوزیتهای نسبتاً گرانقیمت اما محکمتر تقویتشده با الیاف کربن رقابت خواهند نمود. نظر به این که هزینه قسمتهای داخلی، نیروی محرکه بزرگتری نسبت به استحکام بسیار بالا میباشد، به احتمال زیاد میزان نفوذ به بازار بالا خواهد بود. به عنوان نتیجه، تخمین زده میشود که میزان بازار از مقدار 5 هزار تن (میزان %50 نفوذ به بازار) تا 10 هزار تن (میزان %100 نفوذ) با مقدار تخمینی محتمل 7 هزار تن (میزان %75 نفوذ) در سال تغییر داشته باشد [45].
4-3- حوزه ساختوساز
فناوری نانو میتواند کاربردی بودن و دوام مواد ساختمانی از قبیل سیمان، عایق، پنجرهها و … را افزایش دهد. ورود نانومواد به صنعت ساختوساز میتواند برخی ویژگیهای ارزشمند چون خودتعمیرشوندگی، خود تمیزشوندگی، مقاومت در برابر آب و هوا و میکروب و همچنین رسانایی الکتریکی را افزایش داده و قابلیت کاهش آلودگی را به ساختمانها و زیرساختها هدیه دهد. انتشارات تغییردهنده آب و هوا ناشی از ساختوساز، حدود %70 کل انتشارات دیاکسیدکربن جهان را تشکیل میدهند. از این رو، در حال حاضر بر روی بهرهوری منابع مواد استفاده شده در بخش ساختمان، تمرکز شده است. این امر به ویژه با در نظر گرفتن استانداردهای جدید در حال ظهور در بخش ساختوساز (CEN/TC 350)برای ساختمانهای مقاوم در اتحادیه اروپا، مناسب میباشد. با این حال، ممکن است کاربرد تقویتکنندههای نانوسلولزی، در این زمینه یک تغییر اساسی ایجاد کند. این امر هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، امّا نسبت به تقویتکنندههای لیفی بسیار امیدوارکنندهتر میباشد.
4-3-1- سازههای چوبی و کامپوزیتی
به دلیل این که در صنایع ساختمان/ساختوساز، از دامنه وسیعی از مواد کامپوزیتی چوبی از جمله ورقههای الیافی، پنلهای ساختاری، محصولات چوبی مهندسیشده و … به طور سنتی استفاده میشود، توسعه مواد کامپوزیتی مبتنی بر چوب، یک بخش بزرگ محسوب شده و البته نسبتاً پیچیده میباشد. نمونهای از این محصولات در شکل 3 نشان داده شده است. کاربردهای نانومواد سلولز در این حوزه شامل کاربرد کامپوزیتهای مبتنی بر نانومواد سلولز، روکشهای سطحی، مواد افزودنی در دیوارها، سطوح خودتمیزشونده در ساختمان، بلوکهای ساختمانی نانوسلولزی، اجزاء ساختاری مبتنی بر چوب، عایقهای صوتی، فومهای نانو/هیدروژلها، سیمان یا بتن میباشد.
| الف | ب | ج |
| شکل 3- الف) محصولات چوبی مهندسیشده ، ب) الوار ، ج) کامپوزیتهای چوب-پلیمر | ||
4-3-2- عایقها
در مورد عایقکاری و صدابندی[35] ساختمانها، آئروژلهای نانومواد سلولز ماده عایق بسیار نازکی را فراهم خواهند آورد. در طی سالهای گذشته، پیشرفتهایی جهت ساخت مواد عایقکاری ارزانتر، نازکتر و دارای قابلیت تنفس بیشتر صورت گرفته است. البته هنوز ماده عایقکاری تمام عیاری پیدا نشده است، ولی آئروژلها یکی از گزینههای برتر در این حوزه هستند [46]. این مواد جدید در مقایسه با هرگونه مواد جامد متخلخل شناخته شده، دارای کمترین چگالی تودهای میباشند که این ویژگی یکی از خصوصیتهای قابل توجه در مواد عایقکاری است. به دلیل این که از مقادیر کمی نانومواد سلولز در آئروژلها استفاده میشود تا یک ماده عایقکاری عالی با ورودیهای انرژی پایین[36] به دست آید، این حوزه از کاربردهای نانومواد سلولز در دستههای کاربردی با حجم کم قرار میگیرد. اندازه بازار کاربرد نانوسلولز در آئروژلها به عنوان ماده عایقکاری از حداقل مقدار 48 هزار تن (%2 نفوذ) تا مقدار 168 هزار تن (%7 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط محافظهکارانه 120 هزار تن (%5 نفوذ) تغییر میکند [45].
4-3-3- سیمان و بتن
از نانومواد سلولز برای تقویت سیمان و بتن پیشتنیده و پیشساخته[37] به منظور افزایش چقرمگی و ماندگاری آنها استفاده میشود. بتن خاصیت ترد و شکننده دارد و با استفاده از ترکیبی از نانومواد سلولزی و فیبریلهای میکرومتری سلولز میتوان چقرمگی آن را افزایش داد [47]. این الیاف میتوانند مزیت دیگر سیستمهای تقویتکننده با فیبریلهای میکرومتری و نانومتری را با هزینه بسیار کمتری ایجاد کنند. با یک تغییر جزئی در فرآوری و افزودن %3 فیبریلهای میکرومتری و نانومتری به ترکیب، میتوان انرژی شکست ترکیب را نسبت به ماده تقویتنشده تا حدود بیش از %50 افزایش داد. مزایایی چون کاهش حجم سیمان مورد نیاز سبب پایین آمدن میزان مصالح و هزینههای کار شده و در نتیجه منجر به کاهش انتشار گاز گلخانهای مربوطه میشود. افزودن مقدار بسیار جزئی %0.5 وزنی یا %3 حجمی تقویتکننده نانومواد سلولزی، در بهبود مقاومت سختی شکاف در بتن بهینه میباشد [48]. بازار جهانی نانومواد سلولزی مورد استفاده در سیمان از 0 تا 8،25 میلیون تن متریک (%50 نفوذ به بازار) با مقدار تخمینی متوسط 4،13 میلیون تن متریک (%25 نفوذ به بازار) تغییر میکند.
4-3-4- اجزای ساختاری ساختمان
در مورد دیوارهای تیغهای و سایر اجزاء ساختاری، توانایی نانومواد سلولز در بهبود نسبت استحکام به وزن و افزایش مقاومت در برابر آب، مزیت اصلی خواهد بود. از نانومواد سلولزی میتوان به عنوان روکش محافظ تختههای گچی دیوارها نیز استفاده نمود. کاربرد نانومواد سلولزی در روکش دیوارها سبب مستحکمتر شدن و سبکتر شدن دیوارهای تیغهای و افزایش مقاومت آنها در برابر آب میشود که در نتیجه در برابر افزایش و تغییرشکل قالب نیز مقاومت پیدا میکنند [49]. سبکوزن شدن میتواند انرژی چرخه حیات و اثرات موادی مصالح ساختمانی را کاهش داده و به عنوان مثال امتیازهایی سبز را برای ساختمان در راه رسیدن به تأییدیه LEED [38] به ارمغان آورد. اندازه بازار کاربرد نانوسلولز به عنوان روکش محافظ بر روی تختههای گچی دیوارها از حداقل مقدار 5،5 هزار تن (%25 نفوذ) تا حداکثر مقدار 16،5 هزار تن (%75 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 11 هزار تن (%50 نفوذ) در سال تغییر میکند [45].
4-4- حوزه الکترونیک
در زمانهای نه چندان دور، تصور این که گروهی از مردم با کامپیوترهای کوچک در جیبشان قدم بزنند و بتوانند با هر شخصی در سراسر کره زمین فوراً از طریق لمس کردن صفحه نمایشگر آنها ارتباط برقرار کنند، مشکل بود. به طور مشابه، تصور این موضوع که فناوریهای حیرتانگیز به کجا پیش میروند نیز سخت میباشد. تاکنون اکثر وسایل الکترونیکی سفت و سخت بودند و پوششهای شیشهای داشتند. هم اکنون ترقی دادن وسایل الکترونیکی از طریق انعطافپذیر ساختن آنها جذابیتهای زیادی را در این زمینه ایجاد کرده است. در این راستا نانومواد سلولز نقش شایانی دارند. در مقیاس نانومتر، چوب به طور باورنکردنی مستحکم، سبکوزن و شفاف میباشد که تمامی این مشخصهها میتوانند برای وسایل الکترونیکی سودمند باشند.
کاربردهای نانومواد سلولز در صنعت الکترونیک شامل مواد و کامپوزیتهای مبتنی بر نانومواد سلولز برای استفاده به عنوان زیرلایه در مدارهای مجتمع، صنایع الکترونیکی انعطافپذیر، اتاقکها و اجزاء الکترونیکی میباشد. صنایع الکترونیکی انعطافپذیر شامل نمایشگرها، کارتهای هوشمند، سلولهای خورشیدی، برچسبهای فرکانس رادیویی، ایمپلنتها و کامپیوترهای پوشیدنی میباشد. همچنین از نانوسلولز برای ساخت وسایل بیوالکترونیکی مبتنی بر سلولز شامل زیستحسگرها (ساختارهایی برای تثبیت بیولوژیکی[39])، انواع حسگرهای شیمیایی، گازی، حسگرهای با حساسیت بالا، حسگرهای نشاندهنده آلودگی و حسگر تغییرشکل (نانوسلولز رسانا) استفاده میشود. از دیگر کاربردهای نانومواد سلولز در حوزه الکترونیک میتوان به کاربرد نانوسلولز در ساخت ورقهها و پلیمرهای الکتروفعال[40] (با قابلیت کاربرد در پوستهای هوشمند، میکرو رباتهای حشرهای، اشیاء پرنده، سامانههای میکرو الکترومکانیکی، کاغذ دیواری هوشمند و …)، LEDهای آلی یا OLEDها، ادوات فتوولتائیک، فیلمهای فتونیک، مواد کارکردی[41]، مواد ساختاری هوشمند، دیالکتریکهای مورد استفاده در ابرخازنها، خازنهای با مساحت سطح زیاد، باطریها با چگالی توان بالا، فعالکنندههای ایمن از لحاظ محیطزیستی[42]، فیلمهای مورد استفاده در باطریهای لیتیومی و صفحه نمایشهای لمسی و همچنین کاربرد در حفاظهای الکترومغناطیسی (سلولز عاملدارشده) اشاره نمود. در شکل 4 تعدادی از این کاربردها نشان داده شده است.
توسعه این کاربردها ناشی از توانایی نانومواد سلولز در ساخت محصولات بسیار پایدار و نیز دفع سازگار با محیطزیست محصولات استفادهشده یا غیرقابل استفاده، از طریق بازیافت یا بهبود زیستتخریبپذیری این محصولات میباشد. اختلاط نانومواد زیستتجزیهپذیر سلولز، تولید لوازم الکترونیکی قابل بازیافت را ممکن میسازد. از این رو، ممکن است که نانومواد سلولز اثرات زیستمحیطی را از طریق مهیّا نمودن قابلیت بازیافت برای بسیاری از محصولات کاهش دهند.
| الف | ب |
| ج | د |
| شکل 4- الف) صفحه نمایشگر انعطافپذیر، ب) باطری الاستیک و اسفنج مانند، ج) تراشه کامپیوتری ساخته شده از نانوفیبریل سلولز، د) ترانزیستور نانوسلولزی. | |
4-5- حوزه لوازم آرایشی، بهداشتی و محصولات مراقبت شخصی
نانومواد سلولزی قابلیت استفاده در لوازم آرایشی و بهداشتی (به طور مثال محصولات مورد استفاده برای موها، مژهها، ابروها یا ناخنها) به عنوان یک عامل مرطوبکننده و یا یک اصلاحکننده رئولوژی غیرآلرژیزا را دارد [50]. تقاضای محصولات طبیعی و نیز رنگدهندههای با کارایی بالا، نیاز به این محصولات را افزایش میدهد. از جمله کاربردهای دیگر نانومواد سلولز در حوزه لوازم آرایشی و بهداشتی میتوان به کاربرد افزودنیهای نانوسلولزی به عنوان مواد امولسیونکننده، کازمسوتیکال[43] (لوازم آرایشی و بهداشتی با مزایای دارویی یا پزشکی، مانند مرطوبکنندههای بهبودیافته) و آنتیاکسیدانها اشاره نمود. این گونه کاربردهای نانومواد سلولزی به دلیل ماهیت غیرسمّی و غیرآلرژیزای آنها میباشد. این حوزه از کاربردهای نانومواد سلولزی در دستههای کاربردی نوین با حجم کم قرار میگیرند [45].
از جمله کاربردهای نانومواد سلولزی در محصولات مراقبت شخصی میتوان به کاربرد آنها در کرمهای ضد آفتاب، محصولات بهداشتی، جاذبها و پوشکها اشاره نمود. خاصیت فوقالعاده نانومواد سلولزی در جذب آب، سبب شده است که از آنها به عنوان یک پرکننده ایدهآل زیستتجزیهپذیر جاذب آب در انواع پوشکها استفاده شود [51]. احتمال میرود که در این بازار، نیاز زیادی به محصولات جایگزین سبکتر، نازکتر و طبیعی باشد. در مقایسه با خاکچال کردن یا سوزاندن این محصولات، قابلیت تبدیل به کود کردن (کمپوست کردن) آنها میتواند اثرات مصرفی آنها را کاهش دهد.
میزان بازار برای انواع پوشکهای یکبار مصرف برابر 98 هزار میلیون واحد در سال [52] یا 2،8 میلیون تن مواد جاذب میباشد. نانومواد سلولزی طبیعتاً جاذب بوده و میتوانند چندین برابر وزن خودشان آب را نگه دارند و بنابراین میتوانند جایگزین مواد جاذب در این محصولات شوند. محدوده پذیرش نانومواد سلولزی در این حوزه در ایالات متحده آمریکا از مقدار 420 هزار تن (میزان %15 نفوذ به بازار) تا 1،4 میلیون تن (میزان %50 نفوذ) با مقدار متوسط 700 هزار تن (میزان %25 نفوذ) تخمین زده میشود [45].
4-6- حوزه روکش و رنگ
خواص ورق پایه مواد کاغذ یا مقوا از لحاظ کیفیت روکشدهی، دارای اهمیت زیادی میباشند. ورق پایه کاغذ، یک ماده بسیار متخلخل با همواری و تخلخل متغیر است و این خواص به متغیرهای بسیاری از قبیل نوع لیف و عملیات، مقدار پرکننده، شرایط شکلگیری، فشردن مرطوب و پیش غلطکرانی[44] بستگی دارند. بر اساس خواص ورق پایه، مشخصات رئولوژیکی رنگ روکش و روش کاربرد رنگ، خواص نگهداری[45] رنگ روکش و خواص روکش نهایی تغییر خواهند کرد [53].
کاربردهای نانومواد سلولز در این حوزه شامل کاربرد مواد افزودنی نانوسلولزی برای بهبود خصوصیات رنگها و روکشها (جلا و اورتانها)، کاربرد به عنوان اصلاحکننده رئولوژی، استفاده در ساخت روکشهای مقاوم در برابر خراش، روکشهای ضد رسوب[46] و روکشهای بستهبندی میباشد. با افزودن نانوبلورهای سلولز (CNCs) میتوان رئولوژی محیطهای مختلف (مایعات، مذابهای پلیمری، مخلوطهای دارای ذرات) را تغییر داد. نانوسلولز میتواند ویسکوزیته رنگها و روکشها را اصلاح کند. افزودن %2 وزنی نانومواد سلولز ویسکوزیته و خصوصیات جریانی رنگ را افزایش میدهد [54]. یک گروه فنلاندی، ماندگاری یک روکش رنگ را با استفاده از نانومواد سلولزی به عنوان یک افزودنی در رنگها و روغن جلاهای پلییورتانی مبتنی بر آب، بهبود دادهاند [55]. بر طبق این تحقیق، نانومواد سلولزی ماندگاری پرداخت رنگ و روغن را بهبود داده و رنگها و روغن جلاها را از فرسایش ایجاد شده توسط تشعشع UV محافظت میکند. در کاربردهای صنعتی بسیاری از قبیل رنگ، روکش، چسب و لاک[47] از نانوسلولز به عنوان یک اصلاحکننده رئولوژی مواد استفاده میشود. این کاربردها به توانایی نانومواد سلولز در تحت تأثیر قرار دادن ویسکوزیته و خصوصیات کاربردی آنها متکی میباشند. پیشبینی میشود که اندازه کل بازار بالقوه نانومواد سلولز در این حوزه 48 هزار تن باشد.
4-7- حوزه بستهبندی مواد غذایی
از آنجایی که کاغذ نمیتواند خواص سدّی مورد نیاز لازم در برابر اکسیژن و بخارآب را برای بسیاری از غذاهای مختلف فراهم کند، از ورقههای پلاستیکی به تنهایی یا همراه با کاغذ یا مقوا منطبقشده بر آن، برای بسته بندی مرسوم مواد غذایی استفاده میشود. جایگزینی لایههای نازک/روکشهای مبتنی بر مواد نفتی، یک چالش فنی عمده میباشد. انواع کاربردهای فنی اعم از بستهبندی مواد غذایی و آشامیدنی تا صنایع انعطافپذیر الکترونیکی و پیلهای سوختی، نیازمند مواد سدّ گازی ارزان و خیلی انعطافپذیر با عملکرد بالا میباشند [56]. حفاظت سدّی بالا در برابر اکسیژن و بخارآب، مقاومت در برابر بو و روغن/چربی و نیز استحکام مکانیکی و انعطافپذیری، مثالهایی از خصوصیات مهم هدف برای لایههای نازک بستهبندی موادغذایی، لمینتها و/یا روکشها به منظور جلوگیری از تجزیه مواد غذایی/آشامیدنی و افزایش عمر مفید این محصولات، میباشند.
نانومواد سلولزی همانند اکثر پلیمرها با پایه زیستی، خواص سدّ اکسیژنی خوبی را دارا میباشند [57]، [58]و [59]. این خصوصیات نانوسلولز، ناشی از بلورینگی و چگالی انرژی همچسبی بالای آن میباشد. به همین دلیل نانومواد سلولزی برای کاربردهای بستهبندی مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند [60]و [61]. در حالت خشک (رطوبت نسبی %0)، نانوسلولز دارای پایینترین نفوذپذیری اکسیژن در مقایسه با تمام مواد آلی بررسی شده میباشد [62]. از طرفی عملکرد نانوسلولز شدیداً به وسیله خواص نمگیری[48] (توانایی در جذب و نگهداری مولکولهای آب) و جذب رطوبت، محدود شده و در رطوبتهای نسبی بالاتر، وضعیت موانع نانوسلولزی وخیمتر میشود. برای مقابله با این مشکل، میتوان به طور معمول از طریق ترکیب نانورس با لایههای نازک CNF خالص، نرخ انتقال اکسیژن را تا ده برابر کاهش داد.
کاربردهای نانومواد سلولز در حوزه بستهبندی مواد غذایی شامل کاربرد مواد و روکشهای نانومواد سلولز به عنوان موانع، حسگر، پرکننده و یا اصلاحکنندههای رئولوژیکی (در مورد فرآوری و ظاهر بستهبندی) میباشد. نانومواد سلولز دارای خواص پیزوالکتریک میباشند و میتوانند اصلاح سطحی شوند تا شرایط محتویات بستهبندی (به عنوان مثال خرابشدگی) را نشان دهند. همچنین از نانومواد سلولز در ساخت روکشهای خوراکی، روکش بستهبندی و بستهبندیهای نفوذناپذیر در برابر گازها استفاده میشود. این کاربرد، از توانایی نانومواد سلولز در فراهمآوردن یک سدّ بخار نشأت میگیرد که در نتیجه آن، تازگی بهبود یافته و بو نیز کاهش مییابد. علاوه بر این، نانومواد سلولز به عنوان مادهای عایق برای مواد غذایی و آشامیدنی، در ساخت کاغذ برچسب مات یا برچسبهای هوشمند، ساخت پلاستیکهای مهندسی، پلاستیکها و کامپوزیتهای تقویتشده، زیستپلاستیکها، مواد بستهبندی زیستتخریبپذیر و تجدیدپذیر، بستهبندی مبتنی بر الیاف و بستهبندی ایمن (تمپرپروف)[49] کاربرد دارند.
4-8- حوزه مقوا و بستهبندی
در این حوزه میتوان به کاربرد نانومواد سلولزی در ساخت روکش مقوا، کاربرد به عنوان پرکننده در ساخت مقوا و کاربرد در آئروژلهای مبتنی بر سلولز به عنوان مواد ضربهگیر[50] در لایههای بستهبندی اشاره نمود. کاربرد نانومواد سلولز، سبب بهبود نسبت استحکام به وزن و دستیابی به محصولات نهایی سبکتر میشود. از جمله کاربردهای CNF در حوزه مقوا میتوان کاربرد به عنوان افزایشدهنده استحکام در جهت z [51] در مواد مقوا، مخصوصاً زمانی که از الیاف تودهای، مانند خمیر کاغذ شیمیاییترمومکانیکی (CTMP)[52] یا الیاف حجیم استفاده میشود، اشاره نمود.
در فرآیند ساخت مقوا، نانومواد سلولزی کاربردهای بالقوهای در بهبود استحکام و خصوصیات وزنی از خود نشان دادهاند. انتظار میرود که کاربرد نانومواد سلولزی به عنوان پرکننده، بتواند قدرت پیوند بین الیاف را افزایش دهد. بنابراین با وجود استفاده از مقدار کم خمیر سلولز، نانومواد سلولز دارای تأثیر تقویتکنندگی خوبی بر مواد کاغذی میباشند [63]. در نتیجه با داشتن یک بستهبندی سبکوزنتر، هزینه و مصرف سوخت مربوط به حمل و نقل نیز کاهش مییابد. اندازه بازار کاربرد نانومواد سلولز در روکشدهی مقوا ممکن است از مقدار 855 هزار تن (%15 نفوذ) تا 1،425 میلیون تن (%25 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 1،14 میلیون تن (%20 نفوذ) در سال تغییر داشته باشد. همچنین اندازه بازار کاربرد نانومواد سلولزی به عنوان پرکننده در بستهبندی مقوایی نیز از حداقل مقدار 310 هزار تن (%15 نفوذ) تا 724 هزار تن (%35 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 517 هزار تن (%25 نفوذ) در سال تغییر میکند [45].
در حوزه روکش بستهبندی، انتظار میرود که نانومواد سلولزی به عنوان یک مانع در انواع کاغذهای ضد گریس و نیز به عنوان یک افزودنی با انتهای مرطوب در تسهیل نگهداری افزودنیها مفید واقع شوند. همچنین نانومواد سلولزی باعث افزایش استحکام خشک و مرطوب انواع کالاهای کاغذی و محصولات مقوایی میشود [64]. علاوه بر این، افزودن CNF به روکشها، سبب بهبود چسبندگی جوهر به سطح و ایجاد کاغذهایی بسیار نازک و سبک میشود.
4-9- حوزه کاغذ و چاپ
مدّت زمان زیادی است که آشکار شده است، مواد ریز ایجاد شده در طی کوبیدن و پالایش خمیرهای کاغذ، توانایی قابل توجهی در افزایش استحکام کاغذ دارند. این مواد ریز اغلب اوقات خاکه[53] یا کریل[54] نامیده میشوند. این مواد شامل فیبریلهای سلولزی با ناهمسانگردی خیلی بالا و عرض معمولی 1-0.1 میکرومتر میباشند. مواد ریز از انواع مختلف و قسمتهای مختلف الیاف به دست میآیند و همچنین در تجهیزات مختلف کوبیدن نیز تولید میشوند. مفهوم خاکهها، یک مفهوم گسترده و پیچیده در ساخت کاغذ میباشد. پهنای خاکهها حداقل یک مرتبه از پهنای نانومواد سلولزی بزرگتر میباشد.
گزارشهای نسبتاً معدودی در مورد تاثیرات نانوسلولز بر روی مواد کاغذ/مقوا[55] در مقالات وجود دارد [65]، [66]، [67]، [68] و [69]. مشخص شده است که CNF دارای اثرات تقویت استحکام بهتری نسبت به مواد ریز، اساساً به دلیل ناهمسانگردی عالی و مدول استحکام بالاتر، میباشد. شرط لازم برای کاربرد موفقیتآمیز نانوسلولز، توانایی تسلط یافتن بر شیمی کاغذ میباشد. به عبارتی باید بتوان نگهداری، شکلگیری و آبگیری آن را به اندازه کافی کنترل نمود. استحکام سطح کاغذ را میتوان با کاربرد نانوسلولز، به دلیل خصوصیات عالی تثبیت سطح آن، بر روی کاغذهای چاپ بهبود داد.
از جمله کاربردهای نانومواد سلولز در صنعت کاغذ و چاپ میتوان به استفاده از نانومواد سلولز در کاربردهای سطحی و پرکنندهها، کاغذ خاص، روکش کاغذ، لمینت و صفحه، کاربرد نانوبلورهای سلولز (CNC) در چاپ امنیتی و سهبعدی و کاربرد نانوسلولز در ساخت محصولات کاغذی ضدمیکروبی اشاره نمود. با کاربرد نانومواد سلولز میتوان خصوصیات سطحی محصول از قبیل صافی و چاپپذیری را بهبود داد. همچنین نانومواد سلولز میتوانند استحکام را بهبود بخشیده و وزن پایه (گرماژ) محصول نهایی را کاهش دهند. نانومواد سلولز در مقایسه با نشاستهها از این جهت که استحکام شبکهای-مرطوب[56] بالاتری ایجاد میکنند، دارای مزیت ویژهای میباشند [70]. کاربرد نانومواد سلولز ممکن است هزینههای تولید را کاهش دهد.
تحقیقات نشان میدهد که افزودن 2 تا 10 درصد CNF به عنوان پرکننده به کاغذ، به طور قابل توجهی کاغذ را از 50 تا 90 درصد تقویت و مستحکم خواهد کرد [71]. اندازه بازار کاربرد نانوسلولز به عنوان پرکننده در کاغذ از مقدار 310 هزار تن (%15 نفوذ) تا 724 هزار تن (%35 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 517 هزار تن (%25 نفوذ) در سال تغییر میکند [45]. تولید سالانه کاغذ روکششده در ایالات متحده آمریکا 34 میلیون تن میباشد [72]. میزان ارزیابی شده بازار کاربرد نانوسلولز در روکشدهی کاغذ از مقدار 351 هزار تن (%15 نفوذ) تا 585 هزار تن (%25 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 468 هزار تن (%20 نفوذ) در سال تغییر میکند [45].
4-10- حوزه کامپوزیت/پلیمر
علاقه زیادی در کاربرد مواد مشتقشده از چوب در کامپوزیتها، به دلیل فراوانی طبیعی و هزینه کم آنها وجود دارد، امّا این زمینه هنوز در مراحل مقدماتی خود قرار دارد. در حال حاضر، کامپوزیتهای چوب-پلاستیک (WPCs)[57] دارای بازار ثابتی میباشند. به منظور کاهش هزینهها از الیاف چوبی استفاده میشود. عملکرد الیاف چوبی در این کامپوزیتها بسیار شبیه به یک ماده پرکننده میباشد. WPCها دارای انعطافپذیری طراحی و مقاومت بیشتر در برابر رطوبت نسبت به چوب میباشند [73]. معمولاً از WPCها در مصالح کف، حصارکشی، مبلمان، اسباب و وسایل و همچنین در پنلهای خودرو استفاده میشود. کاربرد آنها در بخشهایی است که هنگام کار، تنشهای بالایی متحمل نشوند [74].
از نانومواد سلولز برای تولید نانوکامپوزیتها، ساخت مواد و کامپوزیتهای پلیاتیلنترفتالات (PET) برای بطریها استفاده میشود. از نانومواد سلولز به عنوان تقویتکنندههای کامپوزیت یا پلیمر، پرکننده یا الیاف (تقویتکنندههای کمهزینه) نیز استفاده میشود. در این حوزه، نانومواد سلولز طیف وسیعی از ویژگیهای امکانپذیر دارای ارزش افزوده از جمله استحکام بهبودیافته، سبکوزن بودن، حافظه شکلی و قدرت جذب آب را فراهم میکنند. نانومواد سلولز میتوانند جایگزین مواد افزودنی مبتنی بر نفت شوند و درنتیجه پایداری مواد کامپوزیتی را افزایش دهند. همچنین به دلیل این که نانومواد سلولز زیستتجزیهپذیر میباشند، کاربرد آنها موجب میشود تا محصولات حاوی این مواد، قابلیت بازیافت داشته باشند. برای مثال، نانوبلورهای سلولز (CNC) و نانوفیبریلهای سلولز (CNF) میتوانند با پلیلاکتیک اسید (PLA) ترکیب شوند تا یک کامپوزیت زیستتجزیهپذیر تقویتشده با الیاف با منبع کاملاً زیستی به وجود آورند.
خواص مکانیکی و نوری نانومواد سلولزی سبب شده است تا ماده قابل توجهی برای تقویتکردن پلاستیکها باشند. به عنوان مثال نانومواد سلولزی عملکرد رزینهای گرماسخت[58]، ماتریسهای مبتنی بر نشاسته، پروتئین سبوس، لاتکس و پلی(لاکتید) را بهبود میبخشد [75]. کاربردهای کامپوزیتی آنها ممکن است به عنوان روکش و لایه، رنگ، فوم و یا لایههای بستهبندی باشد. CNC را میتوان طوری همتراز نمود تا خواص نوری تنظیمپذیری شامل تغییر رنگ شفافیت[59] را به وجود آورد.
4-11- حوزه نفت و گاز
از جمله کاربردهای نانومواد سلولز در صنایع نفت و گاز میتوان به کاربرد آنها در حفاری نفت (مواد افزودنی در سیالات حفاری)، پاکسازی نشت نفت، ژلهای جاذب نفت (آئروژلها) و بازیابی نفت و گاز اشاره نمود. نانومواد سلولز، کربن را جدا میکنند. این نانومواد میتوانند جانشینی برای محصولات مشتقشده از سوختهای فسیلی در کاربردهای مختلف باشند.
نمونه جدیدی از یک ماده اسفنج مانند از طریق ترسیب سیلانهای[60] آبگریز بر روی آئروژلهای بسیار متخلخل نانومواد سلولز به منظور جداسازی مخلوط مایعات آب و نفت تهیه شده است. برای تهیه آن، ابتدا به وسیله خشکاندن انجمادی[61] محلولی آبی حاوی نانومواد سلولز، آئروژل بسیار متخلخل (بیش از %99) نانومواد سلولز با انعطافپذیری ساختاری و استحکام بالا شکل میگیرد. آئروژلهای سبکوزن آبگریز قادر هستند تا مواد نفتی را از آب به صورت گزینشی جذب نمایند. ظرفیت جذب آئروژلها حدود 45 برابر وزن خودشان در نفت است. همچنین میتوان آئروژل را از نفت تخلیه کرده و سپس از آن برای چرخه جذب مجدد، دوباره استفاده نمود [76]، [77].
همچنین از نانومواد سلولزی میتوان به عنوان سیال شکافنده[62] در کاربردهای بازیابی نفت استفاده نمود [78]. آئروژلها اسفنجهای فوق سبک هستند که میتوانند به طور مؤثری تمام انواع مواد نفتی و حلالهای ریخته شده را از قبیل مایعات استخراج گاز[63] تمیز نمایند. نفت جذب شده توسط آئروژلها برای استفاده قابل بازیابی میباشد. آئروژلها بسیار سبکوزن هستند و تقریباً از %96 هوا، %2 پلیمر و %2 نانومواد سلولزی تشکیل شدهاند. از لحاظ شیمیایی این ترکیب عالی میباشد، زیرا که آئروژلهای ساخته شده با نانومواد سلولز آبگریز بوده و مواد نفتی را جذب میکنند. اندازه فعلی بازار برای آئروژلها در این صنایع 608 هزار تن میباشد. همچنین ممکن است آئروژلهای نانومواد سلولز جایگزین بسیار خوبی برای آئروژلهای سیلیکا در صنایع نفت و گاز باشند. آئروژلهای نانومواد سلولز دارای عملکرد مساوی یا بهتر با هزینه کمتر نسبت به آئروژلهای نانومواد سیلیکا هستند. با داشتن این مزایای مشخص، انتظار میرود که درصد نسبتاً بزرگی از پذیرش نانومواد سلولز در بازار آئروژل قرار داشته باشد. اندازه بازار آئروژل در این حوزه از حداقل مقدار 150 هزار تن (%25 نفوذ) تا حداکثر450 هزار تن (%75 نفوذ) با مقدار تخمینی متوسط 300 هزار تن (%50 نفوذ) متغیر میباشد [45]. با وجود توسعه کاربردهای دیگر نانومواد سلولزی در این حوزه مانند کاربرد آنها به عنوان اصلاحکننده ویسکوزیته، باید توجه داشت که این ارزیابیها بدون درنظر گرفتن این کاربردها میباشد.
4-12- حوزه نساجی و پوشاک
مدت زمان زیادی است که از سلولز برای ساخت منسوجات مختلف استفاده میشود. برای مثال ریون از خمیرکاغذ یا سلولز ساخته میشود. اما اخیراً محققان یک نوع از نانومواد سلولز را توسعه دادهاند که بسیار فرآیندپذیر است [79]. با تولید این نانومواد، مهندسان قادر خواهند بود تا از موادی محکمتر، سبکتر و بسیار بادوام برای ساخت پوشاک در صنعت نساجی استفاده کنند. با توسعه روشهای الکتروریسی به منظور تولید الیاف پیوسته، میتوان پارچههای کامپوزیتی نانوسلولز را نیز توسعه داد [80]. حرکت به سوی کاربرد مواد بسیار طبیعی در منسوجات، یک عامل تحریککننده برای مصرفکننده میباشد. این نانومواد زیستتجزیهپذیر میتوانند اثرات دفع محصولات نساجی را که امروزه تشکیلدهنده %5 پسماندهای جامد شهری هستند، کاهش دهند. از جمله کاربردهای نانومواد سلولز در صنعت نساجی میتوان به کاربرد در تولید نانوالیاف و نانوذرات (تکمیل منسوجات)، منسوجات بیبافت، منسوجات پزشکی (زخمپوشها)، منسوجات ضد لکه، منسوجات خودتمیزشونده، ساخت الیاف مرکب پلیمری طبیعی/سنتزی و کاربرد نانوسلولز در فرآیند ذوبریسی برای بهبود خواص رنگرزی و استحکام الیاف اشاره نمود.
پیشبینی میشود که در ایالات متحده آمریکا، نرخ نفوذ نانومواد سلولزی به بازار در این حوزه، در محدودهای بین مقدار 275 هزار تن (میزان نفوذ %25) تا 825 هزار تن (میزان نفوذ %75) با مقدار تخمینی محافظهکارانه متوسط 550 هزار تن (میزان نفوذ %50) متغیر باشد [45]. باید توجه داشت که در صورت در نظر گرفتن کاربردهای خاص از قبیل کاربردهای نظامی، کالاهای ورزشی، البسه با مد روز[64]، پرده و صنایع مبلمان به دلیل خصوصیات استحکام و نوری خوب نانومواد سلولز، سهم بازار افزایش خواهد یافت. با این حال این حوزه نیز در دستههای کاربردی با حجم کم قرار میگیرد.
4-13- حوزه پزشکی و دارویی
کاربردهای نانومواد سلولز در حوزه پزشکی شامل کاربرد آنها در داربست بافت[65] (داربست زیستی مورد استفاده در مهندسی بافت)، غشاءهای درمان زخم، ساخت زخمپوشها، پوست مصنوعی و غضروف[66]، رگهای جایگزین[67]، نانوالیاف مصنوعی، دارورسانی (سیستمهای خود نانوامولسیونشونده برای انتقال دارو[68] (SNEDDSها))، اکسیپینت[69] (مادهاى که براى جذب يا رقيقسازی مواد داروئى به کار برده میشود)، تصویربرداری زیستی (بهرهگیری از خواص نوری نانوسلولز)، درمان سرطان، رهایش کنترلشده دارو، سرامیکهای دندانسازی، کاربرد به عنوان عوامل کنتراست MRI و IR، کاربرد به منظور رفتارهای فوق گرمایی و کاربرد به عنوان دارو احیاءکننده[70] میباشد. در این حوزه به عنوان مثال، نانوالیاف مصنوعی کاربردهای فراوانی دارند. چند نمونه از این کاربردها شامل تحویل دارو و ژن، رگهای خونی مصنوعی، اندامهای مصنوعی و ماسکهای صورت میباشد.
ممکن است از حاملهای نانوسلولزی دارو برای مبارزه با انواع مختلف بیماریهای ایجادکننده باکتریهای مقاوم به آنتیبیوتیک، استفاده شود. در این نوآوریها، زیستسازگاری و زیستتجزیهپذیری نانوسلولز از جمله عوامل محرک برای استفاده از نانوسلولز در دارورسانی و رسانش مواد دارویی میباشند [81]. همچنین پیشنهاد شده است که از پودر نانومواد سلولز به عنوان اکسیپینت در ترکیبات دارویی استفاده شود.
4-14- حوزه محیطزیست
در این حوزه میتوان به کاربرد نانوسلولز در تصفیه آب و هوا (غشاءهای نانوساختار)، تصفیه فاضلاب، ساخت کاتالیستهای محیطزیستی و فعالکنندههای ایمن از لحاظ محیطزیست اشاره کرد. برخی از محققان پیشنهاد کردهاند که برای زدودن آلایندهها از هوا و آب میتوان از ذرات آئروژل در صافیها استفاده نمود. پیش از این نیز از سلولز برای تصفیه ذرات ریز در آزمایش استاندارد پاکسازی آب و جمعآوری ذرات از هوا استفاده شده است. برای مثال، صافیهای آب اغلب متکی بر کربن فعال جهت جذب ناخالصیهای شیمیایی هستند. اینها فقط یک صافی ذغال چوبی جذبکننده با کمی بارالکتریکی مثبت جهت جذب یونهای منفی در مواد شیمیایی مضر میباشند. چنین صافیهایی خیلی خوب کار میکنند و آزمایشات نشان دادهاند که آئروژلها میتوانند 130 مرتبه بیشتر از کربن فعال آلایندهها را جذب کنند [82]. ممکن است در آینده آئروژلها هم بتوانند از ریزشهای سمی مایعات جلوگیری کرده و هم در زمانی که ریزش اتفاق میافتد، به پاکسازی آنها کمک کنند. نانوسلولز جاذب بسیار خوبی میباشد که میتواند در زدودن گزینشی آلایندهها مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر این شرکتها در حال طراحی، توسعه و بهینهسازی فومها، صافیها، غشاءها و مواد جاذب نوین با پایه زیستی با گزینشپذیری ویژه و بالا با استفاده از ترکیبات نانومواد سلولز و نانوکیتین[71] برای تصفیه آب صنعتی نامتمرکز و تصفیه آب خانگی هستند. یک شرکت سوئدی یک شیوه نوین برای تصفیه آب توسعه داده است. در این روش، ترکیب فرآیند تصفیه فیزیکی با فرآیند جذب سطحی توانایی نانومواد سلولز و یا نانوکیتین را برای جذب سطحی گزینشی، ذخیرهسازی و دفع سطحی آلایندهها از آب صنعتی و آب آشامیدنی با عبور از یک غشاء نفوذپذیر و بسیار متخلخل نشان میدهد [83].
4-15- حوزه مواد غذایی
در این حوزه از نانومواد سلولز به عنوان مکمل غذایی (برای تثبیت امولسیونها)، اصلاحکنندههای ویسکوزیته (در بحث فرآوری مواد غذایی) ، کاهشدهنده کلسترول (همانند سلولز باکتریایی[72]) و مواد افزودنی تیکسوتروپ[73] استفاده میشود. علاوه بر این از نانومواد سلولز در ساخت بستهبندیهای زیست تخریب پذیر، کاتالیستهای فرآوری مواد غذایی، حسگرهای آنالیز ایمنی و کیفیت مواد غذایی و در ساخت قارچکشها استفاده میشود.
4-16- سیستمهای ذخیرهسازی انرژی
در این حوزه میتوان به کاربرد نانوسلولز در ساخت کلکتورهای الکترومغناطیسی خورشیدی نانوآنتن (NECs)[74]، پنلهای خورشیدی انعطافپذیر، کاتالیستهای پیل سوختی، الکترودهای باطری، فتوکاتالیستهای تولید هیدروژن، سلولهای خورشیدی Paint-on، سلولهای خورشیدی حساسشده به رنگدانه (DSSC)[75] و سوختهای زیستی پیشرفته اشاره نمود. همچنین کاربرد نانوسلولز باعث بهبود بازده تبدیل انرژی در سلولهای خورشیدی لایه نازک میشود.
4-17- سایر حوزههای کاربردی نانوسلولز
از جمله کاربردهای دیگر نانومواد سلولز میتوان به کاربرد نانوسلولز در ساخت وسایل ورزشی و اسباببازی، چسب چوب، کاتالیستهای صنعتی، لایههای پلیمری شفاف و رسانا، کاربردهای دما بالا در الاستومرها، کاربرد به منظور اصلاح رئولوژی مواد در کاربردهای دما بالا، کاربرد در مواد ساختمانی سلولی تناوبی[76] و شیشههای بالستیک ساختمانی[77]، مواد کارکردی با عملکرد بالا، سیستمهای تقویتکننده آبگریز و کاربرد به عنوان تغلیظکننده و یک امولسیون پایدار ابعادی اشاره نمود.
5- تخمین هزینهها و بازار فناوری
بزرگترین بازارهای بالقوه نانومواد سلولزی در اروپا، بازارهای کاغذ/مقوا (94 میلیون تن) و پلاستیک (47 میلیون تن) میباشند. انتظار میرود که نانومواد سلولزی در هر دو بازار تاثیر عمدهای داشته باشند. بزرگترین بخش پلاستیکها، بخش بستهبندی (%39.4) و پس از آن بخش ساختمان و ساخت و ساز (%20.5) و سپس بخش خودرو (%8.3) میباشد [84]. بخش ساختمان/ساختوساز، تاکنون بزرگترین بخش زیستمواد جهان را به دلیل استفاده از اجزاء ساختاری مبتنی بر چوب، تشکیل داده است. پلاستیکها دارای محدوده کاربردی وسیعی در بخش ساختمان میباشند و همان طور که اشاره شد، این بخش، دومین مصرفکننده بزرگ پلاستیکها میباشد.
تا به حال، ایالات متحده آمریکا منابعی را برای درک و توسعه برنامههای کاربردی نانومواد سلولز، سرمایهگذاری کرده است. همچنین فناوریهایی با ظرفیت تولید در مقیاس پایلوت برای ساخت و تولید آنها توسعه داده است. در حال حاضر ایالات متحده آمریکا دارای حدود 751 میلیون هکتار جنگل میباشد که %44 از آنها توسط دولتهای فدرال، ایالتی یا محلی مدیریت میشوند [6]. صنعت محصولات جنگل، چوب را از جنگلها به دست آورده و آن را به مقادیر زیادی الوار، کامپوزیتهای چوب، خمیر کاغذ و محصولات کاغذی تبدیل میکند. در حال حاضر زیرساخت لازم برای حمایت از تولید نانومواد سلولز از جنگل در مقیاس بزرگ وجود دارد [7]. توسعه موفقیتآمیز محصولات فعالشده با نانومواد سلولز، امکان تولید یک محصول نو ظهور با اهمیّت را فراهم خواهد ساخت. تجاریسازی نانومواد سلولز برای صنعت کاغذ، به تنهایی میتواند به اندازه 425000 شغل جدید مستقیم و غیرمستقیم، تا سال 2020 در ایالات متحده به وجود آورد. با این حال، تجاریسازی نانومواد سلولز در ایالات متحده به آرامی پیش میرود. از سال 2009، شرکت خدمات جنگل USDA [78]، در حدود 20 میلیون دلار در بخش R&D نانومواد سلولز سرمایهگذاری کرده است که این مبلغ کسر کوچکی از 680 میلیون دلار خرجشده در بخش R&D نانومواد سلولز، توسط دولتهای سرتاسر جهان میباشد [6].
حداقل و حداکثر حجم تولید جهانی نانوسلولز در سال 2014 به ترتیب 400 تن و 1350 تن میباشد و پیشبینی میشود که نانوسلولز در 5 تا 10 سال آینده تبدیل به یک محصول با حجم تولیدی بسیار بالایی شود [85]. بر اساس پیش بینیهای انجام شده، ارزش بازار انواع نانومواد سلولزی از 250 میلیون دلار در سال 2014 با نرخ رشد ترکیبی سالیانه برابر با %19 تا سال 2019 به حدود 600 میلیون دلار میرسد. متخصصین، نیروی محرکه رشد در این بازار را تقاضای پیشرفت در تکنولوژیهای مورد استفاده در محصولات صنعتی توسط مصرف کننده نهایی دانستهاند. نابسامانیهای شدید در بهای مواد نفتی و میزان بالای انرژی مورد نیاز برای تولید پلیمرهای سنتزی و مواد شیمیایی در این رویکرد به سمت نانوسلولز موثر هستند. سرمایهگذاریهای خصوصی و دولتی در ایالات متحده آمریکا، اروپا و ژاپن نیز در این رشد تاثیرگذار هستند.
بزرگترین بازار نانوسلولز متعلق به آمریکای شمالی میباشد و به نظر میرسد تا سال 2019 این روند حفظ شود. زیرا در این منطقه رشد فناوری بسیار زیاد بوده و صنایع سلامت و بهداشت توسعه زیادی پیدا کردهاند. همچنین اصرار بسیار زیادی بر توسعه بستهبندیهای زیست تخریب پذیر وجود دارد. بعد از آمریکای شمالی، اتحادیه اروپا دومین بازار برای این محصولات به شمار میآیند. رشد این بازار در آسیا بسیار پایدار است اما هم اکنون حجم این بازار از آمریکای شمالی و اروپا کمتر است. همچنین محوریت تولید این محصولات نیز ایالات متحده آمریکا و اتحادیه اروپا میباشد. سهم پیش بینی شده این مناطق از بازار نانوسلولز در سال 2019 در شکل 5 نشان داده شده است [86].
| شکل 5- سهم پیش بینی شده از بازار نانوسلولز برای مناطق مختلف در سال 2019 میلادی [86] |
6- نتیجهگیری
نانومواد سلولز میتوانند عملکرد بسیاری از محصولات را بهبود داده و همچنین گزینه بسیار مناسبی برای جایگزینی مواد غیرتجدیدپذیر با سلولز (فراوانترین ماده آلی در روی زمین) باشند. همچنین این نانومواد نوین، امکان ساخت محصولات جدید متعددی را فراهم میکنند. از جمله محصولاتی که میتوان از نانومواد سلولزی در آنها استفاده نمود، میتوان به محصولات متداول مشتق از چوب (به عنوان مثال کاغذ و بستهبندی)، محصولات غیرمتداول (به عنوان مثال سیمان و بتن پیشساخته) و همچنین محصولات جدید (به عنوان مثال لوازم الکترونیکی انعطافپذیر) اشاره نمود. در دهه گذشته، تعداد زیادی از گروهها، مؤسسات و شرکتهای تحقیقاتی در مورد کاربرد CNF در مقیاس بزرگ گزارش کردهاند. افزودنیهای استحکامبخش در کاغذسازی، عوامل تقویتکننده در نانوکامپوزیتها، مواد و مصالح ساختمانی، لایههای نازک و موانع زيستتخریبپذیر برای بستهبندی و دهها کاربرد دیگر، از جمله زمینههای کاربردی بالقوه نانومواد سلولز هستند. در برخی از کاربردها مانند کاربردهای تخصصی گرانقیمت (به عنوان مثال اکسیپینت دارویی)، ممکن است از مقادیر نسبتاً کمی نانومواد سلولزی استفاده شود، در حالی که کاربردهای دیگر (به عنوان مثال پنلهای در و قسمتهای داخلی خودرو) از مقادیر بیشتری نانومواد سلولزی استفاده میکنند. کاربردهای جدید این پتانسیل را دارند که با گذشت زمان به بخشهای قابل توجهی از کاربردهای نانومواد سلولزی تبدیل شده و بازار خوبی را نیز ایجاد نمایند. در حال حاضر محصولات جدید توسعه یافته در مراکز تحقیقاتی در سرتاسر جهان، میتوانند به بازارهای بزرگتری از نانومواد سلولزی منتج شوند. بازارهای مبتنی بر فناوری نانو و نانوسلولز به طور پیوسته در حال توسعه و تکامل هستند. همزمان با پیشرفت بازارهای آنها، تخمینهای بازار نیز تغییر خواهند کرد.
7- منابع
| [1] | European Commission 2011,European commission (DG environment), plastic waste in the environment – final report.Paris: BIO Intelligence Service. |
| [2] | Rochman CM, Browne MA, Halpern BS, Hentschel BR, HohE, Karpanagioti HK, Rios-Mendoza LM, Takada H, Teh S,Thompson RC. 2013. Classify plastic waste as hazardous.Nature. 494:169–171. |
| [3] | Browne MA. 2008. Ingested microscopic plastic translocates to the circulatory system of the mussel, Mytilus edulis. EnvirSci Technol. 42:5026–5031. |
| [4] | Uhrin AV, Schellinger J. 2011. Marine debris impacts to tidal fringing marsh in North – Carolina. J Mat Pollut Bull 62:2605–2611. |
| [5] | Hirai H, Takada H, Ogata Y, Yamashita R, Mizukawa K, Saha Kwan C, Moore C, Gray H, Laursen D, Zettler ER, et al.2011. Organic micropollutants in marine plastics debris from the open ocean and remote and urban beaches. MarPollut Bull. 62:1683–1692. |
| [6] | Erickson, Britt E., “Transforming Nanocellulose.” Chemical & Engineering News, June 9, 2014, Vol. 92, 23, pp. 26–27. |
| [7] | Ireland, Sean, Phil Jones, Robert J. Moon, Ted Wegner, and World Nieh.2014. “Cellulose Nanomaterials:Technical State of Art.” PowerPoint presentation at NNI and USDA-Forest Service Workshop on Cellulose Nanomaterials,p4, Washington, DC,May2014. |
| [8] | Klemm, Dieter, et al. Nanocellulose: Anew family of Nature-based materials. Angewandte Chemie International Edition.June 6, 2011, Vol. 50, 24, pp. 5438–5466. |
| [9] | Eichhorn SJ, Dufresne A, Aranguren M, Marcovich NE,Capadona JR, Rowan SJ, Weder C, Thielemans W, Roman M, Renneckar S, et al. 2010. Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. JMater Sci. 45:1–33. |
| [10] | Siró I, Plackett D. 2010. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose. 17:459–494. |
| [11] | Lavoine N, Desloges I, Dufresne A, Bras J. 2012. Microfibrillated cellulose – its barrier properties and applications in cellulosic materials: a review. Carbohydr Polym.90:735–764. |
| [12] | Turbak AF, Snyder FW, Sandberg KR. 1983. Microfibrillated cellulose, a new cellulose product: properties, uses and commercial potential. J Appl Polym Sci Appl Polym Symp. 37:815–827. |
| [13] | Herrick FW, Casebier RL, Hamilton JK, Sandberg KR. 1983. Microfibrillated cellulose: morphology and accessibility. J Appl Polym Sci Symp. 37:797–813. |
| [14] | Pääkkö M,Ankerfors M,Kosonen H,Nykänen A,Ahola S,Österberg M, Ruokolainen J, Laine J, Larsson PT, Ikkala O,Lindström T. 2007.Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong, gels. Biomacromolecules. 8:1934–1941. |
| [15] | Uetani K, Yano H. 2011. Nanofibrillation of wood pulp using a high-speed blender. Biomacromolecules. 12:348–353. |
| [16] | Wågberg L, Decher G, Norgren M, Lindström T, Ankerfors M,Axnaes K. 2008. The build-up of polyelectrolyte multilayers of microfibrillated cellulose and cationic polyelectrolytes. Langmuir. 24:784–795. |
| [17] | Saito T, Kimura T, Nishiyama Y, Isogai A. 2007. Cellulose nanofibers prepared by TEMPO-mediated oxidation of native cellulose. Biomacromolecules. 8:2485–2491. |
| [18] | Saito T, Nishiyama Y, Putaux JL, Vignon M, Isogai A. 2006.Homogenous suspensions of individualized microfibrils from TEMPO-catalyzed oxidation of native cellulose. Biomacromolecules. 7:1687–1691. |
| [19] | Aulin C, Johansson E, Wågberg L, Lindström T. 2010. Self organized films from cellulose I nanofibrils using the layer-by-layer technique. Biomacromolecules. 11:872–882. |
| [20] | Olszewska A, Eronen P, Johansson L-S, Malho JM, Ankerfors M, Lindström T, Ruokolainen J, Laine J, Österberg M.2011. The behaviour of cationic cellulose in aqueous media. Cellulose. 18:1213–1226. |
| [21] | Edgar CD, Gray DG. 2003. Smooth model cellulose I surfaces from nanocrystal suspensions. Cellulose. 10:299–306. |
| [22] | Iwamoto S, Kai W, Isogai A, Iwata T. 2009. Elastic modulus of single cellulose microfibrils from tunicate measured by atomic force microscopy. Biomacromolecules. 10:2571–2576. |
| [23] | Tanpichai S, Quero F, Nogi M, Yano H, Young RJ, Lindström T, Sampson WW, Eichhorn SJ. 2012. Effective young’s modulus of bacterial and microfibrillated cellulose fibrils in fibrous networks. Biomacromolecules. 13:1340–1349. |
| [24] | Cliff Eberle Soydan Ozcan , “Nanocellulose Reinforced Polymers, Cellulosic Nanomaterials Workshop,” Washington, DC, 21 May 2014. |
| [25] | Sehaqui H, Zhou Q, Ikkala O, Berglund LA. 2011. Strong and tough cellulose nanopaper with high specific surface area and porosity. Biomacromolecules. 12:3638–3644. |
| [26] | Ted Wegner, seminar at Oak Ridge National Laboratory, Nov 2012. |
| [27] | Nanotechnology and Nanomaterials in the Automotive Industry: Applications, Products, World Market, Companies and Revenues. Retrieved from Future Markets Inc.: http://www.futuremarketsinc.com/index.php?option=com_content&view=article&id=47, the-world-market-for-corroion&catid=1&Itemid=54, 2011, February. |
| [28] | Kiziltas A., Nazari B., Gardner D.J. and Bousfield D.W., “Polyamide 6-Cellulose Composites: Effect of Cellulose Composition on Melt Rheology and Crystallization Behaviour,” Polymer Engineering and Science DOI 10.1002/pen.23603, 2013. |
| [29] | Ozen E, Kiziltas A. Erbas Kiziltas E. and Gardner D.J. Natural fiber blend-nylon 6 composites. Polymer Composites, 34:544-553 (2013). |
| [30] | A. Kiziltas, Microcrystalline cellulose-filled engineering thermoplastic composites., Master of Science Thesis, University of Maine, Orono, Maine, USA, pp. 1-135 (2009). |
| [31] | Kiziltas A., Gardner D.J., Han Y. and Yang H.-S. Thermal properties of microcrystalline cellulose (MCC)-filled PET-PTT blend polymer composites. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 103: 163-170 (2011). |
| [32] | Kiziltas A., Gardner D.J., Han Y. and Yang H.-S. Dynamic mechanical behavior and thermal properties of microcrystalline cellulose (MCC)-filled Nylon 6 composites. Thermochimica Acta 519: 38-43 (2011). |
| [33] | Kiziltas A. and Gardner D.J. Utilization of Carpet Waste as Matrix in Natural Fiber-Filled Engineering Thermoplastic Composites for Automotive Applications. Proceedings of SPE Automotive Composites Conference & Exhibition (ACCE)September 11-13,2012Troy MI. |
| [34] | Ozen E, Kiziltas A. Erbas Kiziltas E. and Gardner D.J. Natural Fiber Blends Filled Engineering Thermoplastic Composites for Automobile Industry. Proceedings of SPE Automotive Composites Conference & Exhibition (ACCE) September 11-13, 2012 Troy, MI. |
| [35] | Azizi Samir MA, Alloin F, Dufresne A. “Review of recent research into cellulosic whiskers,their properties and their application in nanocomposite field.” Biomacromolecules, 6 (2) 612-626 (2005). |
| [36] | Vehicle Weight Reduction and Safety Concerns for meeting CAFE Standards. Retrieved from Flex Form Technogies: http://www.naturalfibersforautomotive.com/?p=84 (May 2013). |
| [37] | Huigin W. 2011 engineering plastics sector to see increase of 10.93%. Retrieved from China Economic Net: http://en.ce.cn/Insight/201202/01/t20120201_23034917.shtml. |
| [38] | Pääkkö M, Vapaavuori J, Silvennoinen R, Kosonen H,Ankerfors M, Lindström T, Berglund L, Ikkala O. 2008.Long and entangled native cellulose I nanofibers allow flexible aerogels and hierarchically templates for function alities. Soft Matter. 4:2492–2499. |
| [39] | Ikkala O, Ras RHA, Houbenov N, Roukolainen J, Pääkkö M,Laine J, Leskelä M, Berglund, LA, Lindström T, ten Brinke G, et al. 2009. Solid state nanofibers based on self-assemblies: From cleaving to self-assemblies to multilevel hierarchical constructs., Faraday Discuss (Soft Nanotechnol). 143:95–107. |
| [40] | Aulin C, Netrval J, Wågberg L, Lindström T. 2010. Aerogels from nanofibrillated cellulose with tunable oleophobicity.Soft Matter. 6:3298–3305. |
| [41] | “FMI, The Global Market for Nanocellulose to 2017, Future Markets Inc. Technology Report No. 60, Second Edition, 2012, p. 38”. |
| [42] | JO ANNE SHATKIN, THEODORE H. WEGNER, E.M. (TED) BILEK, and JOHN COWIE, “Market projections of cellulose nanomaterial-enabled products− Part 1: Applications,” TAPPI JOURNAL, vol. VOL. 13 NO. 5, MAY 2014. |
| [43] | Red, C., “Composites in Aircraft Interiors, 2012-2022,” Composites World, 2012. Available [Online] http://www.compositesworld.com/articles/composites-in-aircraft-interiors-2012-2022>[20May2014]. |
| [44] | C. Red, “”Composites in aircraft interiors, 2012-2022.” High Performance Composites,” http://www.compositesworld.com/articles/composites-in-aircraftinteriors-2012-2022>[11 June 2014], September 201 2. |
| [45] | JOHN COWIE, E.M. (TED) BILEK, THEODORE H. WEGNER, AND JO ANNE SHATKIN, “Market projections of cellulose nanomaterial-enabled products-Part 2: Volume estimates,” TAPPI JOURNAL,VOL. 13 NO. 6, JUNE 2014 . |
| [46] | FPL, “Forest Products Laboratory: Restoring America’s Forests Through the Wise Use of Wood,” USDA Forest Products Laboratory, Madison, WI, USA, January 2013, p. 13 . |
| [47] | Ardanuy, M., Claramunt, J., Arévalo, R., et al., BioResources 7(3): 3883(2012). |
| [48] | Stephenson, K.M., “Characterizing the behavior and properties of nano cellulose reinforced ultra high performance concrete,” Ph.D.dissertation, University of Maine, Orono, ME, USA, 2011. |
| [49] | Harlin, A., “Research highlights in industrial biomaterials 2009–2012, VTT Research Highlights 5,” VTT Technical ResearchCentre of Finland, Espoo, Finland, ISBN 978-951-38-7967-9, 2013, Available [Online] http://www.vtt.fi/files/download/scientific_reports/IndBioMat_research_highlights_2009_2012.pdf>[21May 2014]. |
| [50] | Williamson, W., “Nanocellulose On the cusp of commercialization?” ipw, 10-11/2012, p. 31, Available [Online] http://www.celluforce.com/upload/IPW_Nanocellulose_Final_131.pdf>[21May2014]. |
| [51] | Larsson, K., Berglund, L.A., Ankerfors, M., et al., J. Appl. Polym. Sci. 125(3): 2460(2012). |
| [52] | Richer, C., The diaper industry in the next 25 years, lnsight, Available [Online] http://www.disposablediaper.net/files/Diapernextyears.ppt>[11June201 41, 2005. |
| [53] | Kjellgren H, Engström G. 2006. Influence of base paper on the barrier properties of chitosan-coated papers. Nordic Pulp Pap Res J. 21:685–689. |
| [54] | Forsström, U., “From nanocellulose science toward applications: Status update from Finland,” lnt Conf. Nanotechnol. Renewable Mater., TAPPI PRESS, Atlanta, GA, USA, 2012. Session 24. |
| [55] | VTT, Innovation and Competitiveness from Nanocellulose,” VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland, 2011, Available [Online] http://www.vtt.fi/news/2011/01192011nano. jsp?lang=en>[21May2014]. |
| [56] | Yang H-Y, Bolling L, Priolo MA, Grunlan JC. 2013. Super gas barrier and selectivity of graphene oxide-polymer multilayer thin films. Adv Mater. 25:503–508. |
| [57] | Fukuzimi H, Saito T, Iwata T, Kumamoto Y, Isogai A. 2009.Transparent and high gas barrier films of cellulose nanofibers prepared by TEMPO-mediated oxidation. Biomacromolecules. 10:162–165. |
| [58] | Syverud K, Stenius P. 2009. Strength and barrier properties of MFC films. Cellulose. 16:75–85. |
| [59] | Aulin C, Gällstedt M, Lindström T. 2010. Oxygen and barrier properties of microfibrillated cellulose films. Cellulose.17:559–574. |
| [60] | Miller KS, Krochta JM. 1997. Oxygen and aroma barrier properties of edible films: a review. Trends Food Sci Tech.8:228–237. |
| [61] | Lange J, Wyser Y. 2003. Recent innovations in barrier technologies for plastic packaging—a review. Packag Technol Sci. 16:149–158. |
| [62] | Lindström T, Ankerfors M, Aulin C. 2013. Nanofibrillated cellulose (NFC) – an emerging material for large-scale applications. Paper presented at: NanoTech, May 2013; Washington, DC. |
| [63] | AF&PA, Nanotechnology for the Forest Products Industry, Vision and Technology Roadmap, American Forest & Paper Association, Agenda 2020 Technology Alliance, and Georgia Institute ofTechnology (IPST), 2004. |
| [64] | Aulin, C., Gällstedt, M., and Lindström, T., Cellulose 17(3): 559(2010). |
| [65] | Ahola S, Österberg M, Laine J. 2008. Cellulose nanofibrils adsorption with poly(amideamine) epichlorohydrin studied by QCM-D and application as a paper strength additive.Cellulose. 15:303–314. |
| [66] | Eriksen Ö, Syverud K, Gregerson Ö. 2008. The use of microfibrillataed cellulose produced from kraft pulp as strength enhancer in TMP paper. Nord Pulp Pap Res J.23:299–304. |
| [67] | Schlosser H. 2008. Nano Disperse Cellulose und Nano Fibrillierte Cellulose-neue Produkte fuer die herstellung und Veredelung von Papier und Karton. [Nano disperse cellulose and nano-fibrillated cellulose – new products for the manufacturing and refining, of paper and cardboard].Wochenbl Papierfabr. 6:1–11. German. |
| [68] | Taipale T, Österberg M, Nykänen A, Ruokolainen J, Laine J.2010. Effect of microfibrillated cellulose and fines on the drainage of kraft pulp suspension and paper strength.Cellulose. 17:1005–1020. |
| [69] | Johansson C, Bras J, Mondragon I, Nechita P, Plackett D,Simon P, Svetec DG, Virtanen S, Baschetti MG, Breen C,et al. 2012. Renewable fibres and bio-based materials for packaging applications – a review of recent developments.BioResources. 7:2506–2552. |
| [70] | Van de Ven TGM. 2008. Capillary forces in wet paper. Ind Eng Chem. 47:7250–7256. |
| [71] | Berglund, L.A., and Peijs, T., MRS Bull. 35(3): 201(2010). |
| [72] | AF&PA, “2011 Statistical Summary, Paper, Paperboard, Pulp,American Forest & Paper Association, Washington, DC, USA, 2012, pp. 3-19. |
| [73] | Klyosov AA. 2007. Wood-plastic composites. Hoboken (NJ):Wiley. |
| [74] | Mohanty AK, Misra M, Drzal LT. 2005. Natural fibers, biopolymers and biocomposites. Boca Raton (FL): CRC Press, Taylor and Francis Group; p. 875. |
| [75] | Yu, L., et al., Prog. Polym. Sci. 31(6): 576(2006). |
| [76] | Cervin, N., Aulin, C., Larsson, P., et al., Cellulose (London) 19(2):401(2012). |
| [77] | Korhonen, J.T., Kettunen, M., Ras, R.H., et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 3(6): 1813(2011). |
| [78] | A. T. J.-E. S. J. e. a. Laukkanen.U.S. pat. Patent 20130035263, Feb. 7, 2013. |
| [79] | Lyne, B., “Market Prospects for NanoCellulose,” The RoyalInstitute of Technology, Alberta Biomaterials Development Centre, Edmunton, AB, Canada, February 2013. |
| [80] | Moon, R., Beck, S., and Rudie, A., In Production and Applications of Cellulose Nanomaterials, Chap. 1, pp.9-12, TAPPI PRESS, Atlanta, GA, USA, 2013. |
| [81] | Kolakovic, R., Peltonen, L., Laaksonen, T., et al., AAPS PharmSciTech 12(4):1366(2011). |
| [82] | Lerner, E.J., “Less is more with aerogels: A laboratory curiosity develops practical uses,” The Industrial Physicist, 10(5): 26(2004), Available [Online] http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-10/iss-5/p26.pdf>[21May2014]. |
| [83] | Mathew, A., “Functional membranes/ filters with anti/low-fouling surfaces for water purification through selective adsorption on biobased nanocrystals and fibrils,” NANOSELECT, Lulea Tekniska Universitet, University Campus, Porsoen, Lullea, Sweden, 2012. |
| [84] | Plastics 2012. The facts 2012 – Plastic Europe and polyolefins moulding, thin wall packaging. Stenungsund (Sweden):Borealis. |
| [85] | THE GLOBAL MARKET, Forecast from 2010 to 2025 ,Production volumes, prices, future projections and end user markets, “NANOMATERIALS FUTURE MARKETS” ,EDITION 1 ,MARCH 2015 £200, http://www.futuremarketsinc.com. |
| [86] | http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/nano-cellulose-market-56392090.html. |
[1] Polychlorinated biphenyl
[2] Dichlorodiphenyltrichloroethane
[3] Cellulose Nanofibers (CNF)
[4]Tunicates
[5] Nanofibrillated cellulose or Cellulose Nanofiber
[6] Cellulose nanocrystals (CNC)
[7] Nanocrystalline cellulose (NCC)
[8] Bacterial nanocellulose (BNC)
[9] Chitosan
[10] Hemicelluloses
[11] Anisotropy
[12] Turbak
[13] Herrick
[14] ITT Rayonier
[15] Carboxymethylation
[16] TEMPO-mediated oxidation, TEMPO( (2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl )
[17]Cationisation
[18] Native fibres
[19] d-glucose
[20] Environmental, health, and safety (EHS)
[21] Ultra-absorbent
[22] Fuel efficient
[23] Biofuel
[24]Tampon
[25] Corporate Average Fuel Economy (CAFE)
[26] Floor mat
[27]Floorboard
[28]Ceiling
[29]Bracket
[30]Clip
[31]Tray
[32]Plinth
[33]Housing
[34] Original equipment manufacturer
[35]Soundproofing
[36] Low energy inputs
[37] Pre-stressed and pre-cast concrete
[38] Leadership in Energy & Environmental Design
[39] Biological immobilization
[40] Electro-active paper (EAPap), electro-active polymer (EAP)
[41] Functional material
[42] Environmentally “safe” actuators
[43] Cosmeceuticals
[44] Precalendering
[45] Holdout
[46]Antifouling
[47] Lacquers
[48]Hygroscopic
[49] Tamperproof packaging
[50] Cushioning
[51] Z-strength enhancer
[52] Chemithermomechanical pulp (CTMP)
[53]Fines
[54] Crill
[55] Paper/board
[56] Wet-web
[57] Wood-plastic composites (WPCs)
[58]Thermosetting
[59] Transparency color changes
[60]Silanes
[61] Freeze-drying
[62] Fracturing fluid
[63] Gas fracking liquids
[64] High-Fashion
[65]Scaffold
[66] Cartilage
[67]Vesselsubstitutes
[68] Self-nanoemulsifying drug delivery systems (SNEDDS(
[69] Excipient
[70] Regenerative medicine
[71] Nano-chitin
[72] Bacterial cellulose
[73] Thixotropic
[74] Nanoantenna solar electromagnetic collectors (NECs)
[75] Dye sensitized solar cells
[76] Period cellular structural materials
[77] Structural ballistic glasses
[78] U.S. Department of Agriculture (USDA)
———————————————————————
مدیر طرح و تهیه کننده گزارش:
گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کامپوزیت و پلیمر
(مبنا پژوهان فناوریهای نوین آتیه)
نگارش:
محمد حسین عقابی سجادی، امیر دارستانی فراهانی
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
