بررسی امکان استخراج الیاف بلند طبیعی سلولزی از برگ گیاه Typha australis

بررسی امکان استخراج الیاف بلند طبیعی سلولزی از  برگ گیاه  Typha australis

امروزه، تحقیقات و طرح های توسعه صنعتی در زمینه بیوتكنولو‍ژی و حفظ محیط زیست از اهمیت خاصی برخوردار گردیده و استفاده از امكانات موجود در طبیعت توجه محققین را به خود جلب كرده است. از جمله این موارد، استفاده بهینه از مواد سلولزی و لیگنوسلولزی است.

امروزه، استفاده از الیاف طبیعی گیاهی، علاوه بر صنعت نساجی در صنایع پلیمری و خودروسازی از اهمیت خاصی برخوردار شده است. توسعه روز افزون كاربرد الیاف طبیعی گیاهی نظیر جوت در كمپوزیتها، رونق خاصی به خصوصیات و بازار آن داده است. از دلایل پیشرفت و اهمیت این الیاف، می توان به عنوان نمودن سال 2009 به عنوان سال الیاف طبیعی توسط مجمع عمومی سازمان ملل متحد اشاره كرد.

در این تحقیق،  استخراج الیاف طبیعی با منشأ گیاهی- سلولزی از برگ گیاه Typha australis بررسی شد. عملیات استخراج لیف با استفاده از رتینگ شیمیایی و با به کار بردن مواد شیمیایی از قبیل سود سوزآور، تری پلی فسفات سدیم، تترا اتیلن دی آمین، آنتراکینون، در دماهای 60-100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 30-480 دقیقه صورت گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که استخراج الیاف از برگ گیاه با روش رتینگ قلیایی امکان پذیر است و الیاف بدست آمده دارای استحکام (3.1-3.6 g/den) و ظرافت 23-33 den بوده که نسبت به دیگر الیاف طبیعی با منشأ گیاهی از قبیل کنف، جوت، نارگیل و اناناس استحکام بالاتری دارد.  طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده نشان از لیگنوسلولزی بودن آن داشت که با تعیین درصد ترکیبات آن، معلوم گردید که لیف حاوی 60-50% سلولز، 30-25% لیگنین ، 12-9% همی سلولز و 8-5% مواد ناخالصی است. که این میزان سلولز بیش از سلولز موجود در الیاف نارگیل می­باشد. از طرفی لیگنین موجود در لیف، می­تواند به عنوان ماده ضد باکتری و جذب کننده پرتو ماورابنفش عمل کند که خود ویژگی خاصی به این لیف می­دهد. همچنین لیف استخراج شده دارای 50-45% کریستالینیته می­باشد که این درصد بلورینگی پایین سبب جذب آب 9/5-8% گردیده که نسبت به الیاف پنبه، درصد جذب رطوبت بالاتری می­باشد. از طرفی دانسیته لیف 1/26 g.cm-3 بوده که از دیگر الیاف طبیعی با منشاگیاهی از قبیل پنبه، کتان، جوت، شاهدانه و...  بسیار سبک تر است.  رنگ الیاف استخراج شده به دلیل استخراج توسط عملیات قلیایی در دمای بالا و وجود میزان لیگنین بالا دارای شید زرد روشن تا قهوه­ای تیره می­باشد.  با انجام عملیات سفیدگری با آب اکسیژنه، الیاف سفیدی مطلوبی را کسب کرده و میزان روشنایی آن 34% افزایش یافت. رنگ پذیری الیاف بسیار مناسب بوده و الیاف به خوبی رنگ را جذب کرده و شفافیت رنگ آن مناسب می­باشد.

با توجه به خصوصیات بسیار عالی الیاف استخراج شده و خصوصیات خوب گیاه لویی از قبیل هرز بودن گیاه، فراوانی آن در اکثر مناطق کشور، رشد آن  در مردابها، باتلاقها، جویبارها و عدم نیاز به نگهداری  و مراقبت خاص و داشتن برگهای بلند و برافراشته، انتظار می­رود که با تحقیقات بیشتر، شاهد حضور این لیف در بازارهای نساجی و دیگر صنایع مصرف کننده الیاف به صورت نخ خالص یا مخلوط با دیگر الیاف طبیعی  و مصنوعی باشیم.

فهرست مطالب

فصل اول

مقدمه

1-1- الیاف ماده اولیه نساجی  

جدول1-1: درصد  تغییرات داخل نمونه الیاف

1-2- سلولز

شکل1-1 : فرم فضایی سلولز (1)

1-3- همی­ سلولز

شکل1-2: ساختار همی سلولز در الیاف غیر چوبی (علفها) را نشان می­دهد که زنجیر زایلن استیله شده با باند به 4-O-متیل – گالاکترونیک اسید (گروه سمت چب) و با اتصال  به L- آرابینوفورانوز متصل  است که آن هم به فنولیک اسید (گروه سمت راست) متصل می­باشد]4[.

1-4- لیگنین

شکل 1-3 :طرح کلی ساختار لیگنین : (a) واحد پایه فنیل پروپان C9     (b): سه ساختار لیگنین در فرم پایه­ای شان که به ترتیب : پارا- کوماریل الکل، کانیفریل الکل و سیناپل الکل [11].

شکل1-4 : نمونه ساختار a) لیف سلولزی عمل نشده  b) لیف سلولزی عمل شده با قلیا[13]

1-5- مواد خارجی

1-6- واكس

1-7- پكتین

شکل1-5: تصویر كلی از اتصالات داخلی دیواره اولیه سلول[17]

1-8- تغییر در خصوصیات شیمیایی و فیزیکی لیف در طول فصل رشد گیاه

1-9- الیاف طبیعی با منشأ سلولزی

1-9-1- پنبه

1-9-2- كتان

1-9-3- جوت

1-9-4- شاهدانه

1-9-5- رامی

1-9-6- الیاف برگی

1-10- روشهای مختلف رتینگ

-10-2- روش شبنم

1-10-3- روش حوضچه

1-10-4- روش جریان آب

-10-5- روش کاربرد مواد شیمیایی

1-10-6 – رتینگ آنزیمی

1-11- گیاهان آبزی

1-12- تیره لویی(Typhaceae)

1-12-1-لویی استرالیس

شکل1-7: نمایی از گیاه لویی رشد یافته در منطقه پل شهرستان استان اصفهان (عکس از نگارنده)

شکل1-8 : نمایی از گیاه لویی رسیده – a) طول ریشه روینده  b) عرض پایه c) طول برگ  d) عرض برگ   II) سطح مقطع برگ لویی   e) ضخامت برگ   f) تعداد septa   III) نوک برگ   g) زاویه نوک برگ   IV) بالای غلاف برگ  h) زاویه غلاف برگ  V) رگبرگ لویی   i) رگبرگ اصلی    j) رگبرک فرعی   VI) خوشه نر وماده  n) عرض وسط خوشه نر   l) طول خوشه ماده m) عرض (بالا) خوشه ماده   n) عرض (وسط) خوشه ماده   o) عرض (پایین) خوشه ماده   p) فاصله بین خوشه نر و ماده    VII) گل بارور لویی   q) طول میله باروری کلاله  r) طول تخمدان   s) طول برچه بر[24].

فصل دوم

تجربیات

2-1 مشخصات مواد کاربردی و دستگاه­های مورد استفاده

2-1-1 مشخصات گیاه

2-1-2-مواد مصرفی

جدول2-1: مشخصات رنگینه ­های مستقیم انتخاب شده

2-1-3- دستگاه­ها و وسایل مورد استفاده

2-2- روش انجام آزمایش­ها

2-2-1- عملیات استخراج الیاف

جدول 2-2 : شرایط اولیه استخراج لیف از برگ گیاه لویی در دمای 80 درجه سانتیگراد در محلولهای مختلف شیمیایی

جدول 2-3: شرایط بهینه بدست آمده از مرحله اول استخراح لیف از برگ گیاه لویی در دمای 80 درجه سانتیگراد

جدول 2-4 : شرایط استخراج لیف از برگ گیاه در محلولهای مختلف شیمیایی

2-2-2- اندازه­گیری قطر الیاف

2-2-3- اندازه­گیری دانسیته خطی الیاف

2-2-4-  تعیین خصوصیات کششی الیاف

2-2-5- اندازه گیری جذب رطوبت

2-2-7- مطالعه سطح مقطع الیاف

2-2-8- مطالعه SEM

2-2-9- تعیین شاخص زردی و رنگ الیاف

2-2-10- مطالعه FTIR 

جدول 2-5: فرمول­ برخی شاخصه­های طیف  [31,32]FTIR

 2-2-11- تعیین درصد کریستالینیته

2-2-12- تعیین  درصد ترکیبات لیف

2-2-13- سفیدگری

2-2-14- رنگرزی

فصل سوم

 نتایج و بحث

3-1- بررسی شرایط استخراج الیاف از برگ گیاه

1-1-3- اندازه گیری قطر الیاف

جدول 3-1: قطر الیاف استخراج شده از محلولهای مختلف شیمیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد

شکل3-1 : قطر الیاف استخراج شده از محلولهای مختلف شیمیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد

3-1-2- اندازه­گیری خواص کششی الیاف

شکل 3-2: تنش الیاف استخراج شده از محلولهای مختلف شیمیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد

جدول 3-2 : خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلولهای مختلف شیمیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد

 جدول 3-3: بهینه شرایط استخراج لیف از برگ گیاه در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

جدول 3-4 : قطر الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 100 درجه سانتیگراد

شكل3-3: قطر الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 100 درجه سانتیگراد

جدول 3-5 : قطر الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 80 درجه سانتیگراد

شکل 3-4 : قطر الیاف استخراج شده در دمای 80 درجه سانتیگراد و از محلول­های مختلف شیمیایی

جدول 3-6: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در مدت زمان 4 ساعت و دمای 80 درجه سانتیگراد

شکل 3-5: الف) استحکام  الیاف استخراج شده، ب) ظرافت  الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلول­های شیمیایی مختلف در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

جدول 3-7 : خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی ودر مدت زمان 2 ساعت ودمای 80 درجه سانتیگراد

شکل 3-6: الف) استحکام الیاف استخراج شده، ب) ظرافت الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلولهای شیمیایی مختلف در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت .

جدول 3-8 : خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در مدت زمان 4 ساعت و دمای 100 درجه سانتیگراد

شکل 3-7: الف) استحکام  الیاف استخراج شده ، ب) ظرافت الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت .

جدول 3-9: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های شیمیایی و در مدت زمان 2 ساعت ودمای 100 درجه سانتیگراد

شکل 3-8: الف) استحکام  الیاف استخراج شده، ب) ظرافت الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-10: بهینه محلول­های استخراج الیاف از برگ گیاه در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-11: بهینه محلول­های استخراج الیاف از برگ گیاه در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

جدول 3-12: بهینه محلول­های استخراج الیاف از برگ گیاه در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-13: بهینه محلول­های استخراج الیاف از برگ گیاه در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

 جدول 3-14 : دانسیته خطی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و زمان 2 ساعت

شکل3-9: ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و زمان 2 ساعت.

جدول 3-15 : دانسیته خطی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه  سانتیگراد و زمان 4 ساعت

شکل3-10: ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و زمان 4 ساعت

جدول 3-16 : دانسیته خطی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه  سانتیگراد و زمان 2 ساعت

شکل3-11: ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و زمان 2 ساعت

جدول 3-17 : دانسیته خطی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه  سانتیگراد و زمان 4 ساعت

شکل3-12: ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و زمان 4 ساعت

جدول 3-18: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و زمان 2 ساعت

شکل 3-13: استحکام الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-19: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

شکل 3-14: استحکام الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

جدول 3-20: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

شکل 3-15 : استحکام الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-21: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

شکل 3-16 : استحکام الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 100 درجه سانتیگراد و مدت زمان 4 ساعت

جدول 3-22: استخراج الیاف از برگ گیاه در بهینه شرایط استخراج

شکل 3-17: استحکام الیاف استخراج شده در بهینه شرایط استخراجی

جدول 3-23: بهینه شرایط استخراج لیف از برگ گیاه

شکل 3-18 : ظرافت الیاف استخراج شده در بهینه شرایط استخراجی

جدول 3-24: شرایط استخراج الیاف از برگ سبز گیاه در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

شکل 3-19: ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

شکل 3-20:استحکام الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 80 درجه سانتیگراد و مدت زمان 2 ساعت

جدول 3-25: خصوصیات کششی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی و در دمای 60 درجه سانتیگراد

شکل 3-21 : الف) نمودار ستونی استحکام الیاف، ب) نمودار ستونی ظرافت الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی در دمای 60 درجه سانتیگراد

جدول 3-26: شرایط استخراج الیاف از برگ گیاه در بهینه محلول­های شیمیایی

جدول3-27 : مقایسه ساختار الیاف طبیعی[3]

3-2- تعیین شاخص زردی

جدول3-28: پارامترهای اسپکتروفتومتر انعکاسی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی

3-29: مقایسه پارامترهای اسپکتروفتومتر انعکاسی الیاف استخراج شده

-3- مطالعه FTIR

شکل3-22 : طیف مادون قرمز لیف عمل نشده

شکل3-23 : طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ سبز از محلول شیمیایی

60 g/l NaOH + 30 g/l TPP /2h/80c

شکل 3-24: طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ سبز از محلول شیمیایی

30 g/l NaOH + 1 g/l EDTA /2h/100c

شکل3-25: طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ سبز از محلول شیمیایی

20 g/l NaOH + 1g/l EDTA /6h/60c

شکل3-26 : طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ سبز از محلول شیمیایی

60 g/l KOH + 30 g/l TPP /4h/80c

شکل3-27 : طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ خشک از محلول شیمیایی

45 g/l KOH + 30 g/l TPP /4h/80c

شکل3-28: طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ سبز از محلول شیمیایی

45 g/l NaOH + 30 g/l TPP /4h/80c

 جدول 3-30: طیف مادون قرمز الیاف عمل نشده و استخراج شده از محلول قلیایی

جدول3-31: شاخصه­ های طیف مادون قرمز الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلول­های مختلف شیمیایی

شکل 3-29: هیستوگرام شاخص لیگنین در الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی،الف) نسبت لیگنین به سلولز، ب) نسبت لیگنین به کل مواد آلی

3-4- تعیین دانسیته الیاف

جدول3-32 : دانسیته الیاف طبیعی گیاهی [37,38,39,40]

3-5- تعیین درصد کریستالینیته الیاف

شکل3-30: طیف پراش اشعه ایکس لیف استخراج شده از محلول شیمیایی

(60g/l NaOH+30g/lTPP/2h/80)                            

 جدول3-33 : زوایه پراش پیک­های شاخص الیاف استخراج شده از برگ گیاه

جدول3-34: درصد کریستالینیته و سایز بلور الیاف استخراج شده

جدول3-35: درجه کریستالینیته و سایز بلور الیاف استخراج شده از برگ Typha australis و دیگر الیاف طبیعی گیاهی[36,40]

3-6- تعیین ترکیبات الیاف

جدول3-36 : درصد ترکیبات شیمیایی الیاف استخراج شده از برگ گیاه از محلول­های مختلف شیمیایی

جدول3-37: ترکیبات الیاف استخراج شده از برگ گیاه Typha australis و برخی الیاف طبیعی گیاهی دیگر[13,36, 41 ,42]

3-7- اندازه ­گیری جذب رطوبت الیاف

جدول3-38 : رطوبت بازیافتی الیاف استخراج شده از محلول­های مختلف شیمیایی

جدول3-39 : رطوبت بازیافتی الیاف طبیعی گیاهی[37,39,40]

3-8- بررسی سطح مقطع الیاف

شکل 3-31: سطح مقطع عرضی الیاف استخراج شده از برگ گیاه به قطر حدود 50 میکرومتر، الف) در بزرگنمایی 100، ب) در بزرگنمایی 400، ج) در بزرگنمایی 1000.

شکل 3-32: سطح مقطع طولی الیاف استخراج شده از برگ گیاه در بزرگنمایی 1000

3-9- مطالعه SEM

شکل 3-33: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی سطح مقطع طولی الیاف استخراج شده از برگ گیاه

الف) بزرگنمایی 500، ب) بزرگنمایی 1000

3-10- سفیدگری

جدول 3-40: پارامترهای اسپکتروفتومتری لیف قبل و بعد از عملیات سفیدگری

3-11- رنگرزی

جدول 3-41: مشخصات رنگینه­های مستقیم به کار رفته در رنگرزی، فرمول کالیبراسیون، طول موج ماکزیمم و میزان جذب رنگینه در پساب رنگرزی

جدول 3-42: میزان رنگ منتقل شده روی الیاف و درصد رمق کشی الیاف استخراج شده از برگ گیاه

جدول 3-43: قدرت رنگی الیاف و پارچه پنبه­ای رنگرزی شده

نتیجه گیری

مراجع