سنتز آزمایشگاهی نانو کامپوزیت‌ کاغذی مقاوم در برابر گرما و الکتریسیته

محققان دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان موفق شدند با استخراج سلولز از نوعی باکتری و ایجاد یک نانو کامپوزیت کاغذی چند لایه حاوی یک نوع رزین پلیمری، نانو ساختارهایی با خاصیت عایق الکتریسیته تولید کنند. این نانو کامپوزیت‌ها در صنایع تولید ترانسفورماتور و خازن کاربرد خواهند داشت.

سلولز به‌ عنوان فراوان‌ ترین زیست پلیمر کره زمین از دیرباز مورد توجه بوده و از آن در تهیه‌ کاغذ استفاده شده‌ است. منبع عمده‌ سلولزی به‌ منظور تهیه‌ کاغذ، درختان هستند. اما در حال حاضر مسئله‌ کمبود منابع سلولزی، توجهات جامعه جهانی را به سمت استفاده از دیگر منابع سلولزی متمایل کرده‌است. سلولز مشتق شده از یک نوع باکتری موسوم به سلولز باکتریایی است که در سال‌ های اخیر مورد توجه بسیاری از محققان در حوزه‌های مختلف علم و فناوری از جمله محققان دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان قرار گرفته است.

دکتر سمیه شیخ نظری- دانش‌آموخته‌ مقطع دکتری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان- ضمن اشاره به رزین فنول به عنوان یکی از مواد عایق پرکاربرد در صنعت برق، معایب این پلیمر را برشمرد و افزود: «رزین فنول از دیر باز در صنایع عایقی کاربرد داشته است، اما این رزین بسیار شکننده بوده و نیز ضریب انبساط گرمایی بالایی دارد. به منظور مرتفع کردن این عیوب، در ترکیب رزین فنول از تقویت کننده استفاده می‌شود. مرسوم ترین تقویت کننده‌ رزین فنول در صنایع عایق الکتریسیته، کاغذ یا همان سلولز است. در طرح حاضر تلاش کردیم با ایجاد یک ساختار نانو کامپوزیتی متشکل از رزین فنول و سلولز باکتریایی، به نانوکامپوزیتی با خواص الکتریکی، مکانیکی و حرارتی مطلوب دست یابیم.»

وی در خصوص کاربرد نهایی نانو کامپوزیت‌ های تولید شده در این طرح افزود: «با توجه به مقاومت بالای الکتریکی سلولز، می‌توان از آن به‌ عنوان عایق الکتریسیته در ترانسفورماتورها استفاده کرد، اما خواص گرمایی و مکانیکی ضعیف سلولز موجب کاهش کارایی آن می‌گردد. در پژوهش حاضر ضمن استخراج سلولز از یک منبع باکتریایی و جلوگیری از قطع بی‌ رویه‌ درختان، از ماده‌ استخراج‌ شده به‌عنوان ماده‌ اولیه جهت تولید یک نانو کامپوزیت عایق الکتریسیته استفاده شده‌ است.»

این محقق پیرامون خواص بهتر نانو کامپوزیت تولید شده از سلولز باکتریایی در مقایسه با سلولزهای گیاهی رایج گفت: «کامپوزیت‌ های عایقی که در ترانسفورماتورها به‌عنوان ماده‌ عایق استفاده می‌شوند، به دلیل قرار گرفتن در معرض تنش‌ های گرمایی و الکتریکی، عمر کوتاهی دارند و به‌ ناچار باید در بازه‌ های زمانی کوتاهی تعویض شوند؛ این موضوع هزینه‌ های بسیاری را به صنایع مربوطه تحمیل می‌کند. نانو سلولز باکتریایی، به دلیل دارا بودن ضریب انبساط گرمایی بسیار پایین، قادر است تنش‌ های گرمایی بالاتری را تحمل کند. از سوی دیگر، خلوص و درجه بلورینگی بالاتر نانوسلولز باکتریایی نسبت به سلولزهای رایج گیاهی، برتری خواص دی‌ الکتریکی کامپوزیت تقویت‌ شده با نانو سلولز باکتریایی در مقایسه با سلولز گیاهی را به دنبال دارد.»

به منظور بررسی ابعاد مختلف اثر افزودن نانو سلولز باکتریایی به عنوان تقویت‌کننده رزین فنول، آزمون‌ های مشخصه‌ یابی، آزمون‌ های گرماسنجی، آزمون‌ های مکانیکی اعم از مقاومت کششی، پارگی و ترکیدگی، آزمون‌ های سنجش میزان مقاومت در برابر عبور جریان الکتریسیته اعم از سنجش ظرفیت و ثابت دی‌ الکتریک، مقاومت دی‌ الکتریک، اتلاف دی‌ الکتریک و ولتاژ شکست دی‌ الکتریک و آزمون اندازه‌ گیری ضریب انبساط گرمایی انجام شده‌ است.

نتایج به‌ دست‌ آمده بیانگر کاهش ۵۳ درصدی ضریب انبساط حرارتی نانوکامپوزیت سلولز باکتریایی-رزین فنول نسبت به کامپوزیت سلولز گیاهی- رزین فنول است. ولتاژ شکست دی‌الکتریک نانوکامپوزیت سلولز باکتریایی-رزین فنول، ۱۸۳ درصد در مقایسه با کامپوزیت سلولز گیاهی- رزین فنول افزایش یافته است. همچنین نتایج بیانگر کاهش ۸۵ درصدی اتلاف دی‌ الکتریک نانو کامپوزیت سلولز باکتریایی-رزین فنول نسبت به کامپوزیت سلولز گیاهی- رزین فنول است.

این تحقیقات حاصل تلاش‌ های دکتر سمیه شیخ نظری و دکتر عباس قنبری- دانش‌آموختگان مقطع دکتری دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان- و دکتر تقی طبرسا، دکتر ابوالقاسم خزائیان و دکتر مهدی مشکور- اعضای هیأت علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان- است. نتایج این کار در مجله‌ International Journal of Biological Macromolecules با ضریب تأثیر ۳٫۹۰۹ (جلد ۱۲۰، بخش B، سال ۲۰۱۸، صفحات ۲۱۱۵ تا ۲۱۲۲) منتشر شده‌است.