رئولوژی تعلیق‌های نانوذرات سلولوزی و اهمیت کاربردی آن‌ها در پلیمرهای گرانروکشسان

نوع مقاله : تالیفی

نویسندگان

1 صنایع خمیر و کاغذ، مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 هیات علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

نانوذرات سلولوزی افزون بر وزن کم، دارای مزیت‌هایی چون تجدید‌پذیری، قابلیت بازیافت، فرایندپذیری و
زیست‌سازگاری هستند. فیلم‌های حاوی نانوذرات سلولوزی با توجه به عملکرد خوب و سدگری اکسیژن، به‌عنوان پوشش و لایه میانی در محصولات بسته‌بندی به‌کار می‌روند. با توجه به منشأ طبیعی، بدیهی است که جایگزینی برخی از تقویت‌کننده‌های سنتزی با این نانوذرات می‌تواند از آلودگی محیط زیست بکاهد. ویژگی‌های نانوذرات سلولوزی می‌تواند از طریق بررسی ویژگی‌های رئولوژی ژل نانوذرات انجام گیرد. تعلیق حاوی نانوذرات سلولوزی به‌طور گسترده، در صنایع خمیر و کاغذ به‌عنوان پوشش‌دهنده، در کامپوزیت‌ها، چاپ‌های سه‌بعدی و به‌عنوان غشاهای سلولوزی به‌کار می‌روند. برای کاربرد‌های یادشده، تعلیق نانوذرات سلولوزی در معرض نیروهای برشی قرار می‌گیرند. بنابراین، برخورداری از دانش دقیق درباره رفتار رئولوژیکی تعلیق نانوذرات سلولوزی تحت نیروی برشی زیاد در ارتباط با چنین فرایندهای صنعتی، ضروری است. مطالعات زیادی در مورد ویژگی‌های رئولوژیکی نانوذرات سلولوزی انجام شده که اطلاعاتی درباره ویژگی این مواد و رفتار آن‌ها حین استفاده به ما می‌دهد. در این مقاله، به ویژگی‌های رئولوژیکی نانوذرات سلولوزی و مفاهیمی همچون ویژگی‌های گرانروکشسان خطی، مانند مدول ذخیره و مدول اتلاف وابسته به بسامد، شاخص‌های رفتار جریان برشی نظیر گرانروی ظاهری و تنش برشی به‌عنوان تابعی از سرعت برش، پرداخته شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Rheology of Cellulosic Nanoparticles Suspensions and their Applied Importance in Viscoelastic Polymers

نویسندگان [English]

  • mehrnoosh Tavakoli 1
  • ali ghasemian 2
1 Pulp and Paper Industry, Wood and Paper Engineering, University of Agriculture Science and Natural Resources , Gorgan
2 Gorgan University
چکیده [English]

I
n addition to light weight, cellulose nanoparticles have advantages such as renewability,
recyclability, processability, and biocompatibility. Films containing cellulose
nanoparticles are used as coatings and intermediate layers in packaging products due to
their good performance and oxygen barrier. Given its natural origin, it is obvious that
the replacement of some synthetic reinforcements with these nanoparticles can reduce
environmental pollution. The properties of cellulose nanoparticles can be determined by
investigating the rheological properties of the nanoparticles gel. Suspensions containing
cellulose nanoparticles are widely used in the pulp and paper industries as coatings, in
composites, 3D printing, and as cellulose membranes. For these applications, suspensions of
cellulose nanoparticles are exposed to shear forces. Therefore, having accurate knowledge
of the rheological behavior of suspended cellulose nanoparticles under high shear force
in relation to such industrial processes is essential. There have been many studies on
the rheological properties of cellulose nanoparticles that provide information about the
properties of these materials and their behavior during usage. In the present review, the
rheological properties of cellulose nanoparticles and concepts such as linear viscoelastic,
properties such as frequency dependent storage modulus/loss modulus, shear fow behavior
indices such as apparent viscosity and shear stress as a function of shear rate are discussed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • rheology
  • cellulose nanoparticles
  • viscosity
  • viscoelastic polymers
  • shear force
1. Barin S., Investigation the Viscosity in Digital Inks, Ceram. Sakhteman Magazine (Persian), 33, 20-25, 2016.
2. https://fa.wikipedia.org/w/index.phptitle=Rheology&old
id=25105301.
3. Silva T.C.F., Habibi Y., Colodette J.L., Elder T., and Lucia L.A., A Fundamental Investigation of the Microarchitecture
and Mechanical Properties of TEMPO-Oxidized Nanofibrillated Cellulose (NFC)- Based Aerogels, Cellulose, 19, 1945–
1956, 2012.
4. Ghofran R., Moradian M.H., Saadatnia M.A., and Rezayati Charani P., Application of Cellulose Nanofibers to be Replaced
with the Imported Long-Fiber Pulps in Papers Made from Bagasse, Iran. J. Wood. Pap. Indust. (Persian), 4, 523-
536, 2016.
5. Osong S.H., Norgren S., and Engstrand P., Processing of Wood-based Microfibrillated Cellulose and Nanofibrillated
Cellulose, and Applications Relating to Papermaking: A Review, Cellulose, 23, 93-123, 2015.
6. Shimizu M., Saito T., and Isogai A., Water-Resistance and High Oxygen-Barrier Nonocellulose Films with Interfibrillar
Cross-linkages Form Through Multivalent Metal Ions, J. Memb. Sci., 500, 1-7, 2016.
7. Vazquez A., Foresti M.L., Moran J.I., and Cyras V.P., Extraction and Production of Cellulose Nanofibers, Handbook of
Polymer Nanocomposites. Processing, Performance and Application, Springer, London, 81-118, 2015.
8. TAPPI, Proposed New TAPPI Standard: Standard Terms and Their Definition for Cellulose Nanomaterial, Draft for Review, WI 3021.
9. Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindström T., Ankerfors M., Gray D., and Dorri A., Nanocelluloses: A New Family of Nature- Based Material, Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5438 – 5466, 2011.
10. Abdul Khalil H.P.S., Davoudpour Y., Islam M.N., Mustapha A., Sudesh K., Dungani R., and Jawaid M., Production and
Modification of Nanofibrillated Cellulose Using Various Mechanical Processes: A Review, Carbohydr. Polym., 99, 649–
665, 2014.
11. Masruchin N., Park B.D., Causin V., and Um I.C., Characteristics of TEMPO-Oxidized Cellulose Fibril-Based Hydrogels
Induced by Cationic Ions and Their Properties, Cellulose, 22,  1993–2010, 2015.
12. Onyianta A.J., Dorris M., and Williams R.L., Aqueous Morpholine Pre-treatment in Cellulose Nanofibril (CNF) Production: Comparison with Carboxymethylation and TEMPO Oxidisation Pre-Treatment Methods, Cellulose, 25, 1047-1064, 2017.
13. Nechyporchuk O., Belgacem M.N., and Pignon F., Current Progress in Rheology of Cellulose Nanofibril Suspensions,
Biomacromolecules, 17, 2311–2320, 2016.
14. Kumar V., Ottesen V., Syverud K., Gregersen Ø.W., and Toivakka M., Coatability of Cellulose Nanofibril Suspensions:
Role of Rheology and Water Retention, Cellulose, 15, 571– 580, 2017.
15. Hubbe M.A., Ferrer A., Tyaga P., Yin Y., Salas C., Pal L., and Rojas O.J., Nanocellulose in Thin Films, Coating and Plies for
Packaging Applications: A Review, BioResources, 12, 2143- 2233, 2017.
16. Liu C., Du H., Dong L., Wang X., Zhang Y., Yu G., Li B., et al., Properties of Nanocelluloses and Their Application as
Rheology Modifier in Paper Coating, Ind. Eng. Chem. Res., 56, 8264–8273, 2017.
17. Karppinen A., Seppälä J., and Pietikäinen P., Rheology and Flocculation of Polymer-Modified Microfibrillated Cellulose
Suspensions, Ph.D. Thesis, Aalto University of Finland, October 2014.
18. Kavanagh G.M. and Ross-Murphy S.B., Rheological Characterisation of Polymer Gels, Prog. Polym. Sci., 23, 533−562,
1998.
19. Naderi A. and Lindström T., Rheological Measurements on Nanofibrillated Cellulose Systems: A Science in Progress,
Cellulose and Cellulose Derivatives: Synthesis, Modification and Applications, Nova Science, New York, USA, 2015.
20. Nazari B., Kumar V., Bousfield D.W., and Toivakka M., Rheology of Cellulose Nanofibers Suspensions: Boundary Driven
Flow, J. Rheol., 60, 1151–1159, 2016.
21. Kumar V., Nazari B., Bousfield D.W., and Toivakka M., Rheology of Microfibrillated Cellulose Suspensions in Pressure-
Driven Flow, Appl. Rheol., 26, 43534, 2016. DOI: 10.3933/ APPLRHEOL-26-43534
22. Pääkkö M., Ankerfors M., Kosonen H., Nykänen A., Ahola S., Osterberg M., Ruokolainen J., et al., Enzymatic Hydrolysis
Combined with Mechanical Shearing and High Pressure Homogenization for Nanoscale Cellulose Fibrils and Strong
Gels, Biomacromoleculs, 8, 1934–1941, 2007.
23. Derakhshandeh B., Kerekes R.J., Hatzikiriakos S.G., and Bennington C.P.J., Rheology of Pulp Fibre Suspensions: A Critical
Review, Chem. Eng. Sci, 66, 3460–3470, 2011.
24. Spence K.L., Venditti R.A., Habibi Y., Rojas O.J, and Pawlak J.J., The Effect of Chemical Composition on Microfibrillar Cellulose Films from Wood Pulps: Mechanical Processing and Physical Properties, Bioresour. Technol, 101, 5961–5968,
2010.
25. Rezayati Charani P., Dehghani-Firouzabadi M.R., Afra E., and Shakeri A., Rheological Characterization of High Concentrated MFC Gel from Kenaf Unbleached Pulp, Cellulose, 20, 727–740, 2013.
26. Hubbe M.A., Tayeb P., Joyce M., Tyaga P., Kehoe M., Dimic- Misic K., and Pal L., Rheology of Nanocellulose-Rich Aqueous Suspensions: A Review, BioResources, 12, 9556-9661, 2017.
27. Ching Y.C., Ali M.E., Abdullah L.C., Choo K.W., Kuan Y.C., Julaihi S.J., Chuah C.H., et al., Rheological Properties of Cellulose Nanocrystal-Embedded Polymer Composites: A Review, Cellulose, 20, 1011- 1030, 2016.