ارزیابی رفتار نانوکامپوزیت‌هایِ الیاف سلولز نسبت به دمای نرم‌شوندگی (Tg) با هدف مرمت اسناد کاغذی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری حفاظت و مرمت اشیای فرهنگی و تاریخی، دانشکدۀ حفاظت و مرمت دانشگاه هنر، تهران، ایران

2 دانشیار گروه حفاظت و مرمت اشیای فرهنگی و تاریخی، دانشکدۀ حفاظت و مرمت دانشگاه هنر، تهران، ایران

3 دانشیار گروه حفاظت و مرمت اشیای فرهنگی و تاریخی، دانشکده حفاظت و مرمت دانشگاه هنر، تهران، ایران

10.22034/ganj.2020.2427

چکیده

هدف: شناسائی عملکرد پلیمر کلوسل‌جی با افزودن نانوالیاف سلولزِ BCN[1] و NFC[2] در دمای نرم‌شوندگی (Tg) با هدف ایجاد مادۀ پلیمری اصلاح‌شده برای مرمت آثار کاغذی.
روش٫ رویکرد پژوهش: داده‌ها  با استفاده از گرماسنج روبشی تفاضلی (DSC)[3] به روش استاندارد ASTM[4] گردآوری و با استناد به تجربیات آزمایشگاهی مرتبط تحلیل و تفسیر شده‌است.
یافته ها و نتیجه‌گیری: رفتار گرمایی فیلم‌های حاوی نانوکامپوزیت NFC+Klucel و BCN+Klucel به‌سبب افزایش دمای گذار شیشه‌ای (Tg)، در مقایسه با نمونه‌ماتریس‌های کلوسلِ بدون نانوافزودنی بهبود یافت.این افزایش در BCN به‌مراتب بیشتر از NFC بود. هم‌چنین، رفتار بازدارندگی نانوکامپوزیت‌های الیاف سلولزی NFC و BCN در برابر کهنگیِ ناشی از شرایط پیرسازی، در مقایسه با نمونۀ خالص کلوسل نیز به‌مراتب بیشتر افزایش یافت. این رفتار در نمونه‌فیلم‌های BCN در مقایسه با نمونه‌های NFC، بیشتری افزایش یافت.  هم‌چنین، یافته‌ها نشان داد نانوالیاف NFC در زمان پیرسازی طولانی‌تر، دربرابر کاهش Tg بازدارندگی بیشتر نشان می‌دهند.



[1]. Bacterial Cellulose Nanofiber (BC/BCN)


[2]. Nano Fibrillated Cellulose (CNF/NFC)


[3]. DSC: Differential Scanning Calorimetry


[4]. American Society for Testing and Materials

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the behavior of Cellulose fibers Nano-composites in relation to the Glass Transition temperature/ Tg for preservation of paper works

نویسندگان [English]

  • Mahdi Ghorbani 1
  • Koros Samanian 2
  • Maryam Afsharpour 3
1 Ph.D. Student in Conservation and Restoration of Cultural and Historical Objects, Faculty of Conservation and Restoration, University of Art, Tehran,I. R. Iran
2 Associate Professor, Department of Conservation and Restoration of Cultural and Historical Objects, Faculty of Conservation and Restoration, University of Art, Tehran, I. R. Iran
3 Associate Professor of Chemistry and Chemical Engineering Research Center of Iran, Tehran, I. R. Iran
چکیده [English]

Purpose: The application of materials with lasting and durability physical properties is one of the main criteria for preservation of paper works. In this study we examined physical/thermal function of NFC and BCN cellulose nanofibers into the polymer matrix of Klucel-G, as a modified polymeric material in terms of Glass Transition temperature (Tg), for restoration of paper documents.
Method and Research Design: Firstly, the Nano-cellulose suspensions by solution casting method with Hydro-solvents in Klucel-G matrix with %2 contents (%Wt) were prepared. Then, films were made by air drying method. Finally, the Tg temperature behavior of these solid samples was studied by Differential Scanning Calorimetry/DSC method.
Findings and conclusion: Thermal behavior of nanocomposite films containing NFC+Klucel and BCN+Klucel improved compared to the pure Klucel samples (no Nano-additive) due to the increasing glass transition temperature (Tg). This was much higher with BCN than to NFC. The inhibition behavior of NFC and BCN nanofibers composites against aging resulted from the aging conditions, increased significantly compared to pure Klucel sample. On the other hand, this behavior faced with increase for BCN films compared to the NFCs. Findings also showed that NFC nanofibers tend to create significantly higher Tg inhibition during a longer aging interval.

کلیدواژه‌ها [English]

  • paper works
  • preservation
  • Cellulose Nanofibers
  • Klucel
  • Tg
  • DSC
منابع

کتاب

عباسی، علی. (1390). نانوکامپوزیت‌ها: انواع، کاربردها و بازار. تهران: انتشارات ستاد ویژۀ فناوری نانو.

کاری، فرانسیس. ای. (1937). شیمی آلی. (ممهّد هروی، مجید؛ خالقی، شهناز؛ فتوحی، لیدا؛ شرفی، طاهره؛ مترجمان، 1387). تهران: دانشگاه الزهرا.

محمدی، ناصر. (1394). شیمی‌فیزیک پلیمرها. تهران: انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر.

مقاله

ابوالقاسمی فخری، لیلا؛ قنبرزاده، بابک؛ انتظامی، علی‌اکبر. (1390). «اثر مونتموریلونیت و نانوبلور سلولوز بر خواص فیزیکی فیلم‌های آمیختۀ کربوکسی‌متیل‌سلولز- پلی‌وینیل‌الکل». علوم و تکنولوژی پلیمر، 24(6)، صص ۴۵۵-۴۶۶.

جنوبی، مهدی؛ سرائیان، احمدرضا؛ همزه، یحیی؛ کریمی، علی‌نقی. (1392). «مقایسۀ خواص فیزیکی-شیمیایی نانوالیاف سلولزی جداشده از ساقه و پوست کنف». جنگل و فرآورده‌های چوب (مجلۀ منابع طبیعی ایران)، 66(4)، صص 507-518.

قربانی، مهدی؛ سامانیان، کورس؛ افشارپور، مریم؛ ثابت جازاری، علی‌اصغر. (1395). «معرفی و مقایسۀ روش‌های استحکام‌بخشی اسناد کاغذی و پیشنهاد کاربرد نانوالیاف سلولزی به‌منظور حفاظت از این آثار». گنجینۀ اسناد، 26(4)، صص 110-131.

قربانی، مهدی؛ سامانیان، کورس؛ افشارپور، مریم؛ ثابت جازاری، علی‌اصغر. (1396). «رفتار بازدارندگی بیونانوکامپوزیت الیاف سلولز و هیدروکسی‌پروپیل سلولز دربرابر تغییرات رنگی به‌عنوان یک پوشش بر روی اسناد کاغذی». علوم و فناوری رنگ، 12(2)، صص 147-158.

مهری، الهه، قاسمیان، علی؛ افرا، الیاس؛ جعفری، سیدرحمان. (۱۳۹۱). «معرفی و مقایسۀ روش‌های مختلف تولید نانوالیاف سلولزی». دنیای نانو، 29، صص 52-56.

هادیلام، محمدمهدی؛ افرا، الیاس؛ یوسفی، حسین. (1392). «اثر استفاده از نانوفیبرهای سلولزی بر خواص کاغذ باگاس». جنگل و فرآورده‌های چوب (مجلۀ منابع طبیعی ایران)، 66(3). صص 351-366.

منابع لاتین

کتاب

-         Artioli, Gilberto. (2010). Scientific Methods and Cultural Heritage: An introduction to the application of materials science to archaeometry and conservation science. New York: Oxford University Press Inc.

-         Feller, R; Wilt, M. H. (1991). Evaluation of Cellulose ethers for Conservation (Research in Conservation Technical Report Series). United state of America: Getty Publications.

-         Feller, Robert. (1994). Accelerated Aging: Photochemical and Thermal Aspects. United state of America: The Getty Publications.

-         Henry, Walter. (1988). Consolidation/Fixing/Facing. Chapter.23 in Paper Conservation Catalog. Washington D.C.: American Institute for Conservation Book and Paper Group.

-         Pinto, Ricardo J. B; Neves, Marcia C; Neto, Carlos Pascoal; Trindade, Tito. (2012). Composites of Cellulose and Metal Nanoparticles. Nanocomposites: New Trends and Developments, Chapter.4. Book edited: Dr. Farzad Ebrahimi (Ed.), pp 73-96.

-         Santos, Sara; Carbajo, José Maria; Villar, Juan Carlos. (2015). Celulosa Bacteriana. Project of Application of Bacterial Cellulose to the Conservation of Heritage on Paper (in Spanish). Spain.

-         Sciau, Philippe. (2012). Nanoparticles in Ancient Materials: The Metallic Lustre Decorations of Medieval Ceramics. The Delivery of Nanoparticles, Chapter.25. Hashim Abbass A. (Ed.), pp 525-540.

مقاله

-         Bruzzese, C; E. Brown; M.P. Laborie; A. Dufresne; J. Bras. (2010). “Mechanical properties of bionanocomposites with BC nanofibers and bacterial cellulose whiskers”. In 239th ACS National Meeting, San Francisco, CA, United States, March 21-25.

-         Chee, Ching Yern; Rahman, Ashiqur; Ching, Kuan Yong; Sukiman, Nazatul Liana; Chuah, Cheng Hock. (2015). “Preparation and Characterization of Polyvinyl Alcohol-Based Composite Reinforced with Nanocellulose and Nanosilica”. BioResources, 10(2), pp 3364-3377.

-         Favier, V; Chanzy, H; Cavaille, J. Y. (1995a). “Polymer nanocomposites reinforced by cellulose whiskers”. Macromolecules, 28(18), pp 6365-6367.

-         Favier, V; Canova, G. R; Cavaille, J. Y; Chanzy, H; Dufresne, A; Gauthier, C. (1995b). “Nanocomposite materials from latex and cellulose whiskers”. Polymers for Advanced Technologies, 6(5), pp 351-355.

-         Ghorbani, Mahdi; Samanian, Kouros; Afsharpour, Maryam. (2018a). “Effect of physical properties of bacterial cellulose nanofibers Bio-nanocomposite as a coating on the paper works”. International Journal of Conservation Science, 9(1), pp 71-80.

-         Ghorbani, Mahdi; Samanian, Kouros; Afsharpour, Maryam. (2018b). “Mechanical Properties of Bacterial Cellulose Nanofibers Bio-Composite as a Long-Lasting Coating on the Paper Works”. nternational Journal of Conservation Science, 9(3), pp 389-400.

-         Henriksson, Marielle; Fogelstrom, Linda; Berglund, Lars A; Johansson, Mats; Hult, Anders. (2011). “Novel nanocomposite concept based on cross-linking of hyperbranched polymers in reactive cellulose nanopaper templates”. Composites Science and Technology, 71(1), pp 13-17.

-         Klemm, Dieter; Kramer, Friederike; Moritz, Sebastian; Lindstrom, Tom; Ankerfors, Mikael; Gray, Derek; Dorris, Annie. (2011). “Nanocelluloses: A New Family of Nature-Based Materials”. Angewandte chemie international edition, 50(24), pp 5438-5466.

-         Lee, Koon-Yang; Tammelin, Tekla; Kiiskinen, Harri; Samela, Juha; Schlufter, Kerstin; Bismarck, Alexander. (2012). “High performance cellulose nanocomposites: comparing the reinforcing ability of bacterial cellulose and nanofibrillated cellulose”. ACS Applied Materials and Interfaces, 4(8), pp 4078-4086.

-         Lwamoto, Shinichiro; Abe, Kentaro; Yano, Hiroyuki. (2008). “The Effect of Hemicelluloses on Wood Pulp Nanofibrillation and Nanofiber Network Characteristics”. Biomacromolecules, 9(3), pp 1022–1026.

-         Moon, Robert J; Martini, Ashlie; Nairn, John; Simonsen, John; Youngblood, Jeff. (2011). “Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites”. Chemical Society Reviews, 40(7), pp 3941–3994.

-         Picker-Freyer, Katharina M; Dürig, Thomas. (2007). “Physical mechanical and tablet formation properties of hydroxypropylcellulose: in pure form and in mixtures”. AAPS PharmSciTech, 8(4), p82.

-         Rials, Timothy G; Glasser, Wolfgang G. (1988). “Thermal and dynamic mechanical properties of hydroxypropyl cellulose films”. Journal of applied polymer science, 36(4), pp 749-758.

-         Santos, Sara; Carbajo, José Maria; Gomez, Nuria; Quintana, Ester; Ladero, Miguel; Sanchez, Arsenio; Chinga-Carrasco, Gary; Villar, Juan Carlos. (2016). “Use of bacterial cellulose in degraded paper restoration. Part II: application on real samples”. Journal of Materials Science, 51(3), pp 1553–1561.

-         Santos, Sara; Carbajo, José Maria; Gomez, Nuria; Quintana, Ester; Ladero, Miguel; Villar, Juan Carlos. (2017). “Paper reinforcing by in situ growth of bacterial cellulose”. Journal of Materials Science, 52(10), pp 5882–5893.

-         Siqueira, Gilberto; Bras, Julien; Dufresne, Alain. (2010). “Cellulosic Bionanocomposites: A Review of Preparation, Properties and Applications”. Polymer, 2(4), pp 728-765.

-         Tsagaropoulos, George; Eisenberg, Adi. (1994). “Dynamic Mechanical Study of the Factors Affecting the Two Glass Transition Behavior of Filled Polymers. Similarities and Differences with Random Ionomers”. Macromolecules, 28(18), pp 6067-6077.

-         Yang, Haiping; Yan, Rong; Chen, Hanping; Lee, Dong Ho; Zheng, Chuguang. (2007). “Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis”. Fuel, 86(12-13), pp 1781-1788.

استاندارد

-  American Society for Testing and Materials (ASTM). (2013). “Standard Test Method for Assignment of the Glass Transition Temperatures by Differential Scanning Calorimetry”. ASTM E1356-08.

-  Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI). (2003). “Effect of moist heat on properties of paper and board”. T544 SP-03.