همایش ها و کلاس های المپیاد

بسته هفتگی الیگام

فصلنامه همگام

گنجینه المپیاد شیمی
مقالات شیمی
تاریخ: پنج شنبه 10 مهر 1393 نظرات: 1 نظر مشاهده: 2420 تعداد امتیاز: 9   (Article Rating)
الیاف پوست ذرت و خواص و کاربردها

چکیده:
الیاف سلولوز طبیعی که خواصی بین پنبه و کتان داشته،در صنایع گوناگون کاربرد دارد،برای نخستین بار از پوست ذرت استخراج شد.کیفیت بالای این الیاف آن را برای تهیه ی پوشاک،غذا و فراورده های صنعتی دیگر مناسب کرده است.استفاده از پوست ذرت برای کاربرد های ضروری موجب حفاظت از خاک کشاورزی و منابع طبیعی دیگر می شود.به این ترتیب در مصرف منابع نفتی تجدیدناپذیر که در تهیه ی الیاف مصنوعی به کار می روند صرفه جویی می شود.سالانه 9 میلیون تن الیاف از ذرت به دست می آید که قیمت آن حدود 19 میلیون دلار است و دست کم 12 بیلیون دلار در سال،از راه تولید پوست ذرت به این مقدار افزوده می شود.در این مقاله مناسب بودن الیاف پوست ذرت برای کاربرد های مهم صنعتی همراه با خواص و ساختار این الیاف شرح داده می شود.

آغاز سخن:
سال ها بود که کارخانه های گوناگون مانند کارخانه ی نساجی،که برای تهیه ی فراورده های خود از الیاف استفاده می کردند،در پی یافتن منبعی مناسب برای الیاف طبیعی بودند که با خواص برجسته الیاف هایی هم چون کتان و پنبه قابل مقایسه باشد،بهره برداری از زمین های کشاورزی و منابع مورد نیاز دیگر برای تولید الیاف در نتیجه ی استفاده از آن کاهش یابد و از دید قیمت و در دسترس بودن،با الیاف موجود رقابت کند.امروزه به نظر می رسد که الیاف پوت ذرت از چنین خواصی برخوردار باشد.
در روش های معمول برای استفاده از پوست ذرت ،سلولوز آن به بخش های جداگانه تجزیه می شود.طول عمر هریک از این اجزاء در حدود 5/0 تا 5/1 میلی متر است که برای استفاده در صنعت نساجی و صنایع دیگر،کوچک است.اما از پوست ذرت نوعی الیاف طبیعی تهیه می شود که ساختار و خواص برجسته ای دارد و می توان آن را به عنوان الیافی با کیفیت بالا و ویژه به کار برد.الیاف، مجموعه ای از سلول های جداگانه است که به وسیله ی همی سلولوز،لینگنین-که همان ماده ی موثر چوب است- و ذره های غیر سلولی دیگر در کنار یک دیگر قرار می گیرند.
تلاش برای تولید انبوه فراورده های غذایی اصلی، به عنوان منبع الیاف اهمیت دارد زیرا جمعیت رو به رشد در کشور های فقیر جهان،به استفاده از زمین مناسب تر برای تولید غذا و لباس نیازمند است.پوست ذرت منبعی ارزان،تجدید پذیر و در دسترس برای تهیه ی الیاف سلولزی است.افزون بر این،فرایند استخراج الیاف از پوست ذرت به انرژی کم تری نیاز دارد و با محیط زیست سازگار است.
برای تولید منابع غذایی،از گیاهانی مانند آناناس،برگ موز،پوست نیشکر و نارگیل که منابع دیگر الیاف طبیعی به شمار می روند،نیز استفاده شده است.اما این منابع از دید کیفیت ،امکان دسترسی و موقعیت جغرافی رشد،محدودیت دارند.هم اکنون پوست ذرت در مقایسه با گیاهان یاد شده، منبع بهتری به نظر می رسد.چنان که در سال 2002،مقدار پنبه ی تولید شده در جهان در حدود 20 میلیون تن گزارش شده است که قیمت متوسط آن برای هر کیلوگرم فراورده به 1/3 دلار می رسید.تولید انواع دیگر الیاف سلولزی مانند الیاف گیاهی،کتان،کنف و نارگیل در حدود 5 تن گزارش شده است.کل فراورده های غله ای جهان در حدود 640 میلیون تن در سال است که 45 میلیون تن آن را پوست ذرت تشکیل می دهد.بر اساس روش تولید الیاف که در این مقاله توضیح داده شده است،پوست ذرت موجود می تواند سالانه حدود 9 میلیون تن الیاف طبیعی تولید کند.


به تازگی قیمت هرکیلوگرم از فراورده ی الیاف پوست ذرت،به طور متوسط،بین 0/5 تا 0/8 دلار براورد می شود.هزینه ی تهیه ی این فراورده،60 درصد قیمت آن است.این امر باعث می شود که پوست ذرت ارزان ترین الیاف طبیعی قابل دسترس باشد.حتی نسبت به پنبه که قیمت تولید آن،بین0/5 تا 2/5دلار است.

به هر حال این منافع اقتصادی در صورتی تامین می شود که الیاف پوست ذرت برای کاربردهای صنعتی مناسب باشد بویژه برای صنایعی مانند نساجی که به الیاف هایی با کیفیت بالا نیاز دارند.برای سنجیدن ارزش و مناسب بودن الیاف پوت ذرت باید ویژگی های آن با ویژگی سه الیاف طبیعی معمولی،یعنی پنبه،کتان و کنف مقایسه شود.

آماده کردن الیاف
پوست ذرت از گیاهان ذرت کاملا رسیده جمع آوری شده، کاکل های ذرت،برگ و بخش های گیاه از آن جدا می شوند.با استفاده از کاغذ هایی ویژه[1] پوست ذرت به قطعه های 2 تا 3 سانتی متری تقسیم می شود.این پوست ها اندازه ای شبیه به الیاف پنبه دارند و برای استفاده در دستگاه ریسندگی نخ مناسبند.

استخراج الیاف

روش کار
الیاف پوست های ذرت با استفاده از موادشیمیایی و آنزیم ها استخراج شدند.پوست های ذرت در محلول 0/5N سدیم هیدروکسید به مدت 60 دقیقه در دمای قرار گرفتند و به اندازه ی 5 درصد وزن پوست ها،محلول قلیای به آنها افزوده شد.این مواد برای از بین بردن اجزای حل نشده و اضافی،با آب شسته شد.سپس الیاف درشت بافت را با افزودن محلول 10 درصد حجمی استیک اسید خنثی کردند.الیاف های خنثی شده در شرایط محیط آزمایشگاه خشک شد.در اینجا،2 آنزیم پالیزم[2] و سلولاز[3] برای از بین بردن لیگنین و همی سلولز پوست های ذرت مورد استفاده قرار گرفت.
پالیزم قندی با پنج کربن است و باعث جداشدن ترکیب های همی سلولز و شکستن پیوند های کوالانسی میان لیگنین و کربوهیدرات ها در پوست ذرت می شود.بسپارهای جدا شده از همی سلولز و لیگنین هنگام شستن زدوده شدند.سلولاز ها آنزیم های پیچیده ای هستند که از 3 ماده ی اصلی:اندوگلوکانازها[4]،سلوبیوهیدرولازها[5] و بتاگلوکسیداز[6]ها ساخته شده اند.اندوگلوکانازها به طور تصادفی به زنجیره های سلولزی حمله می کنند.سلوبیوهیدرولازها زنجیره های سلولزی را که به وسیله ی اندوگلوکانازها از بین نرفته اند،از بین می برند و بتاگلوکسیداز ها رشته های سلولوبیوز را به گلوکوز تجزیه می کنند.سلولاز در این آزمایش برای زدودن رشته های کوچک پوست های ذرت به کار رفت، زیرا رشته های کوچک برای استفاده در صنعت نساجی نامناسبند و به آانی تجزیه می شوند.به هر حال استفاده از محلول قلیایی،انتخاب غلظت،زمان و دمای محیط عمل آنزیم مهم است زیرا سلولازها مستعد زیان دیدن هستند و آسیب به سلولوز در پوست ذرت،باعث کاهش استحکام الیاف می شود.برای بدست آوردن فراورده های با کیفیت مناسب،باید غلظت آنزیم 5 درصد وزن الیاف بوده،نسبت وزن الیاف به حجم محلول آنزیم 5 درصد باشد و این فرایند در مدت 60 دقیقه در دمای 50درجه سانتی گراد انجام شود.پس از پایان فعالیت آنزیم ها،الیاف های بدست آمده،در آب شسته و در شرایط آزمایشگاه خشک شدند.

سفید کردن الیاف ها
الیاف ذرت پس از استخراج،به مدت 60 دقیقه در دمای 90 درجه سانتی گراد در محلول  هیدروژن پراکسید با خلوص 30 درصد و محلول 70 درصد وزنی/حجمی سفید کننده قرار گرفت تا سفید شود.محلول  سدیم سیلیکات نیز همراه محلول  سدیم هیدروکسید به عنوان تثبیت کننده، و محلول  سدیم کربنات برای ایجاد PH=10/5 به کار رفت.پس از سفید کردن،الیاف ها شسته و در شرایط آزمایشگاه خشک شدند.همچنین الیاف های سفید شده برای تعیین اثر مواد سفید کننده روی رنگ و میزان لطافت و استحکام آن ها مورد آزمایش قرار گرفتند.

خواص الیاف
خواصی از جمله استحکام،قابلیت کشش،مقاومت و جذب رطوبت الیاف،خواصی قابل اندازه گیری هستند و برای مقایسه ی انواع الیاف با هم،به کار می روند.خواص هر الیاف از روی ساختار آن تعیین می شود.
با استفاده از روش نورمن و جنکینز[7] مقدار سلولز خالص موجود در الیاف ذرت اندازه گیری شد.لطافت یا باریکی الیاف بر حسب مقیاس دنیر[8] محاسبه شد.این مقیاس نشان دهنده ی وزن الیاف بر حسب گرم در هر 9000 متر آن است و با اندازه گیری طول مشخصی از الیاف به دست می آید.سپس به کمک یک دستگاه،ویژه ی سنجش الیاف،خواص کششی الیاف مورد بررسی قرار گرفن.طول الیاف که به عنوان معیار این دستگاه در نظر گرفته می شود،25mm و سرعت حرکت دتگاه 18 میلی متر در دقیقه است.مقدار رطوبت الیاف نیز با مقیاس [9]ASTM تعیین شد.شرایط استاندارد برای همه ی نمونه ها،دمای 21 درجه سانتی گراد و رطوبت 65 درصد بود.

نتایج، بحث و بررسی

استخراج الیاف

الیاف های سلولز طبیعی بجز پنبه و ابریشم،چند سلولی هستند و در کاربرد های نعتی به صورت مجموعه ای از سلول های جداگانه مورد استفاده قرار می گیرند.در پوست ذرت سلول های جداگانه مورد استفاده قرار می گیرند.در پوست ذرت سلول های تکی وجود دارند که برای استفاده در نساجی و دیگر کاربرد های صنعتی بسیار کوچکند.(جدول 1)


لینگین،همی سلولز و دیگر مواد پیوند دهنده،سلول های جداگانه را به هم متصل می کنند و آن ها را به صورت مجموعه ای از رشته ها متصل به هم در می آورند.این امر،رشته ها را برای استفاده در صنعت نساجی و دیگر کاربرد های صنعتی مناسب می سازد.برای بدست آوردن مجموعه ای الیاف،قیمت های آوندی و بزرگ تر گیاه را جدا م کنند و مواد تشکیل دهنده ی گیاه مانند لیگنین،همی سلولز،ژلاتین و موم موجود در آن را از بین می برند.در این روش از باکتری ها،قارچ های موجود در هوا،مواد شیمیایی و آنزیم ها استفاده می شود.برای بالا بردن کیفیت الیاف به دست آمده از پوست ذرت،به آنزیم های استخراجی و مواد قلیایی نیاز است.
استفاده از مواد قلیایی منجر به تولید الیاف درشت بافت با کیفیت پایین،یا تولید الیاف خرد شده با قطعه هایی کوچک می شود.الیاف درشت بافت که با استفاده از محلول قلیایی با غلظت کم در زمان کوتاه تر و دمای پایین تر به دست می آید،در مقیاس دنیر اندازه ای حدود 180 دارد.استحکام این الیاف پایین و در حدود 1 گرم در هر دنیر است.با استفاده از مواد قلیایی با فلظت بیشتر و ایجاد شرایط بهتر از نظر دما و زمان،بیشتر سلولز موجود در پوست ذرت به الیاف های کوچک و با کیفیت پایین تجزیه می شود.بنا به داده های جدول 1، با تجزیه ی پوست های ذرت،سلول های تکی در اندازه های 5/0 تا 5/1 میلی متر به دست می آیند.آنزیم ها به تنهایی نمی توانند لایه های بیرونی و محافظ پوست ذرت را بشکنند.عوامل گوناگونی همچون غلظت های متفاوت آنزیم ها،PH، زمان و دما بر از بین بردن قسمت های ضعیف تر الیاف اثر می گذارند.این بخش های ضعیف تر باعث پیوند رشته های ضخیم و دراز پوست ذرت با یکدیگر می شوند.بافت های ضخیم حتی پس از عملکرد آنزیم ها از پوشش بیرونی پوست ذرت محافظت می کنند.پس،استفاده از یک ماده ی قلیایی ملایم برای برداشتن پوشش بیرونی ضروری است تا آنزیم ها بتوانند لیگنین و سلولز را از بین ببرند.

ترکیب شیمیایی
انواع الیاف های سلولزی طبیعی در همه نقاط دنیا دارای 60 تا 95 درصد سلولز هستند.همی سلولز،لیگنین،ژلاتین،موم ها و پروتئین اجزای دیگری هستند که مقدار آن ها به شرایط رویش گیاه،منشاء الیاف و روش استخراج آن بستگی دارد.جدول1 الیاف ذرتی را نشان می دهد که حدود 80 تا 87 درصد سلولز دارد و در مقایسه با کتان و کنف دارای سلولز بیشتری است.بیشتر همی سلولز موجود، هنگام استخراج الیاف از بین می رود.اما همی سلولز،لینگین و ژلاتین باقی مانده،سلول های جداگانه را کنار هم نگه می دارند.اگر اجزای غیر سلولزی از نظر خواص چسبندگی مناسب باشند، الیاف رنگ طبیعی پیدا می کند.اما این رنگ طبیعی در فرایند سفید کردن از بین می رود،فرایندی که برای تولید الیاف سفید یا فراورده های دیگر ضروری است.گفتنی است که گاه پس از عملکرد ماده ی قلیایی،الیاف هایی درشت بافت تولید می شوند.این امر نشان دهنده ی وجود لیگنین در الیاف است.

ساختار فیزیکی
ساختار فیزیکی الیاف نشان دهنده ی میزان ساختار بلوری(مطلوب)یا ساختار بی شکل(نا مطلوب)در آن جهت یابی سلول ها در اطراف محور یک رشته از الیاف و اندازه بلور های موجود در یک رشته است که با استفاده از پراش پرتو های X تعیین می شود.پنبه،رامی(الیاف گیاه)،و چوب واحد های سلولی یکسانی دارند و این،الیاف های گوناگون هستند که خواص متفاوتی دارند.ایت تفاوت ها ناشی از تفاوت در تعیین موقعیت نقاط بلوری و غیر بلوری نسبت به محور ها و اندازه بلورهاست.همچنین به مقدار مواد بلوری و غیر بلوری و مقدار و نوع مواد غیر سلولزی مربوط می شود.الیاف ذرت در مقایسه با الیاف های طبیعی دیگر دارای تنوع بیشتری است،(جدول2)چنان که میزان شفافیت آن در مقایسه با پنبه،کتان و کنف کمتر است و بلورهای آن کوچکتر بوده،چرخش کمتری نسبت به محور ها دارند.

ساختار های فیزیکی-شیمیایی و ساختار ظاهری در الیاف ذرت به دیگر الیاف های سلولزی طبیعی معمولی مانند پنبه،کتان و کنف شبیه است.به دلیل وجود بلور های کوچک تر و جهت یابی کمتر در الیاف ذرت انتظار می رود استحکام آن کمتر باشد،ولی خواصی مانند پایداری،جذب رنگ،مقاوت و کشیدگی را بیش از انواع دیگر الیاف از خود نشان می دهد.

خواص کشیدگی
وقتی برای تغییر شکل الیاف،نیرویی در طول محور ها به آن وارد می شود،میزان تغییرات از نظر سختی،درصد کشیدگی،میزان مقاوت و احتمال ایجاد شکستگی،در آزمایش های شکستگی اندازه گیری می شود.سختی معیاری است که بیشترین نیرو وفشار معین وارد بر یک ناحیه را نشان می دهد و در این جا وزنی را نشان می دهد که یک الیاف می تواند تحمل کند و نشکند.
معمولا صفت مشخص کننده ی الیاف طبیعی این است که سختی بالاتر و قابلیت کشش کمتری دارند.رفتار انواع الیاف در برابر کشیدگی و مقاومت آن در برابر کشش یا شکستگی،بر حسب نوع الیاف از روی منحنی های فشار-کشش که در شکل 1 نشان داده شده است،مشخص می شود.میزان مقاومت یک الیاف در مقابل کشیدگی،شیب منحنی را تعیین می کند و نشانه ای از میزان سختی مواد،یا مقاومت آن ها در مقابل کشیدگی است.هرچه یک ماده مقاوم تر باشد،در برابر نیروی وارد شده کمتر کشیده می شود.پنبه نسبت به کنف و کتان مقاومت کمتری دارد.از این رو،انعطاف پذیر تر و نرم تر است.خاصیت شکستگی،میزان سختی و چرم مانند بودن یک ماده را نشان می دهد و آن،انرژی مورد نیاز برای شکستن یک ماده را نشان می دهد و به میزان سختی و قابلیت کشش الیاف بستگی دارد.خاصیت شکستگی بالاتر نشان دهنده ی ساختار پایدار و حتی سفت الیاف است.چنین الیافی استحکام کمتری دارد.برای نمونه،سختی پشم از پنبه کم تر است ولی پشم بادوام تر و دارای قابلیت کشیدگی بیشتری است.پس خاصیت شکستگی آن بیش تر است.الیاف کنف خاصیت شکستگی کمتری دارد و در نتیجه پایداری آن از کتان و پنبه کمتر است.

بنا به جدول3 ، الیاف ذرت برتری های بی نظیری دارد مانند استحکام مناسب ،سختی بالاتر،مقاومت کمتر و قابلیت کشیدگی بیشتر،یعنی الیاف ذرت پایدار تر،اما انحناپذیر و نرم است و این خاصیت مناسبی برای تهیه ی لباس و کاربرد های مشابه آن است.هم چنین خاصیت شکستگی در الیاف ذرت بیشتر از پنبه است و با این که ضعیف تر است،ولی سفت تر بوده،برای تهیه ی پوشاک،بادوام تر است.


خاصیت جذب رطوبت
مقدار جذب رطوبت بالا در الیاف ذرت نسبت به پنبه،از آنجا ناشی می شود که اندازه ی بلور ها و مقدار بلوری شدن سلولز در الیاف ذرت کمتر است.ساختار فیزیکی و شیمیایی ذرت نشان می دهد که این الیاف دارای مناطق سطحی و در دسترسی برای انجام واکنش های شیمیایی و اثر های مویینگی بیشتر است.این امر باعث می شود که الیاف ذرت پس از تغییر شکل،دوباره به حالت اولیه خود بازگردد.اگرچه که خاصیت بلوری شدن در الیاف کتان و کنف از ذرت بیشتر است اما جذب رطوبت در الیاف ذرت به نسبت بالاتر است و این،به دلیل وجود ذره های غیر سلولی ،بویژه همی سلولز و ژلاتین است که هر دو آبدوست هستند.جذب رطوبت بالا در الیاف ذرت تهیه لباس های مناسب را از آن ممکن می کند.

سفید کردن
سفید کردن الیاف ذرت باعث از بین رفتن رنگ زرد طبیع الیاف،کاهش خواص دنیر و افزایش استحکام الیاف می شود.چنان که اشاره شد،دوام الیاف ذرت تا حدی به کامل بودن پیوند های میان سلول های واحد،به کمک لگنین و مواد اتصال دهنده ی دیگر بستگی دارد.در برخورد با مواد سفید کننده، پیوند های ضعیف تر میان سلول های واحد از پیوند های قوی تر آسیب پذیر ترند.بنابر این هنگام سفید کردن الیاف این پیوند ها از بین می روند و در نتیجه حدود 30 درصد کاهش در خواص دنیر،و حدود 13 درصد افزایش استحکام در الیاف ایجاد می شود.حتی ممکن است مواد سفید کننده هنگام اکسایش الیاف به ساختار سلولز آسیب وارد کنند.به هر حال افزایش دوام الیاف نشان می دهد که اگر شرایط سفید کردن به خوبی کنترل شود،آسیب وارد شده به الیاف می تواند به کمترین مقدار برسد.


نتیجه
خواص و ساختار الیاف ذرت به دو الیاف سلولز طبیعی مشهور یعنی پنبه و کتان شبیه است.خواص بی مانند الیاف پوست ذرت،مانند انحنا پذیری،دوام مناسب،پایداری،قابلیت کشش زیاد و جذب رطوبت بالا باعث ایجاد خواص بی مانندی در کالاهای ساخته شده از الیاف ذرت می شود.امکان تولید سالیانه بیش از 9 میلیون تن الیاف ذرت که قیمت آن با قیمت پنبه معمولی می تواند رقابت کند،باعث گرایش صنایع مرتبط با الیاف طبیعی و مصرف کنندگان به استفاده از آن می شود.منافع زیاد استفاده از الیاف ذرت در کشاورزی،تهیه مواد صنعتی،انرژی و حفظ پاکیزگی محیط زیست باعث می شود که این الیاف از انواع دیگر الیاف طبیعی موجود یا الیاف مصنوعی بهتر باشد.تولید غذا و الیاف از منابع قبلی بدون نیاز اضافی به خاک کشاورزی یا دیگر منابع طبیعی به تامین 2 نیاز اساسی  بیش از 6 میلیون نفر از مردم روی زمین کمک می کند.


منبع: آموزش شیمی شماره 83



[1] نوعی کاغذ

[2] Pulpzyme

[3] cellulase

[4] endoglucanase

[5] cellobiohydrolase

[6]  B-glucosidase

[7] Norman & Jenkins

[8] Danier

[9] نوعی معیار برای تعیین رنگ و ظاهر یک فراورده است


کد: 112
امتیاز بندی

نظرات
1) با سلام و تشکر
خواهش می کنم اگر درمورد نحوه تولید الیاف از پوست ذرت فیلم یا مستند دارید برایم ایمیل کنید.سپاس
ارسال توسط حجت در تاریخ پنج شنبه 16 بهمن 1393

ارسال نظر:

نام (الزامی)

پست الکترونیک(الزامی)

وب سایت یا وبلاگ


بازگشت



.: كليه حقوق سايت متعلق به موسسه فرهنگي مهتدين مي باشد :.


طراحی و اجرا توسط پورتال صفرویک