اثر نانوسلولز باکتریایی بر خواص کامپوزیت های فیبر- سیمان و دوام در برابر چرخه ذوب-انجماد

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکترای گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

2 استاد گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی عمران،Coventry University، انگلیس

4 دانشیار پژوهشکده بیوتکنولوژی، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، اثر نانوسلولز باکتریایی در سه سطح (شاهد، پودر و ژل) بعنوان تقویت­کننده کامپوزیت­های فیبر- سیمان بررسی شده است. همچنین الیاف باگاس با مقادیر 6 و 7 درصد برای ساخت کامپوزیت­ها استفاده شد. خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت ها شامل مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستسیته (MOE)، چقرمگی شکست (FT)، مقاومت چسبندگی داخلی (IB) و جذب آب (WA) پس از 2 و 24 ساعت غوطه وری در آب اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که کامپوزیت­های ساخته شده با ژل سلولز، مقاومت­های خمشی، مقاومت چسبندگی داخلی و چقرمگی شکست بالاتری داشتند. ترکیب 7 درصد الیاف باگاس و ژل سلولز در کامپوزیت­ها جذب آب را کاهش داد. در این کامپوزیت­ها احتمالاً به دلیل توزیع یکنواخت الیاف و ژل سلولز داخل ماتریکس سیمان اتصالات داخلی افزایش یافته و فضاهای خالی کمتری برای نفوذ آب باقی مانده است. آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) نمونه­ها نشان داد که در کامپوزیت­های حاوی ژل سلولز باکتریایی شدت پیک­های مربوط به فراورده­های هیدراتاسیون عمده از جمله ژل کلسیم سیلیکات هیدراته و هیدروکسید کلسیم بیشتر بود. نتایج به‌دست آمده از آزمون چرخه ذوب- انجماد نشان داد که کامپوزیت­های حاوی ژل سلولز مقاومت چسبندگی داخلی بالاتری بعد از 20 چرخه در مقایسه با دو کامپوزیت دیگر داشتند. در این بررسی، کامپوزیت­های فیبر- سیمان ساخته شده از 7 درصد الیاف باگاس و ژل سلولز باکتریایی بعنوان تیمار بهینه انتخاب شدند.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of Bacterial Nanocellulose on Properties of Fiber-Cement Composites and Durability to Freeze-Thaw Cycling

نویسندگان [English]

  • Faranak Mohammadkazemi 1
  • Kazem Doosthoseini 2
  • Eshmaiel Ganjian 3
  • Mehrdad Azin 4
1 PhD., Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
2 Professor, Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran
3 Associated professor, Department of Civil Engineering, Coventry University, Coventry, UK
4 Associated professor, Department of Biotechnology, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, the effect of bacterial nanocellulose, in three levels (control, powder and gel) as a reinforcement for fiber- cement composites was investigated. Also, 6 and 7 wt% of bagasse fibers were used for composite manufacturing. Mechanical and physical properties of composites including modulus of rupture (MOR), modulus of elasticity (MOE), fracture toughness (FT), internal bonding strength (IB), and ware absorption (WA) after 2 and 24h emersion in water were measured. Results showed that composites made with cellulose gel had higher bending strengths, internal bonding strength and fracture toughness. Combination of 7% bagasse fiber content and cellulose gel reduced water absorption of composites. In these composites, internal bonding was increased and less empty spaces remained for water penetration probably due to uniform distribution of fibers and cellulose gel within the cement matrix. XRD analysis showed that peaks corresponding to main hydration products such as CSH and calcium hydroxide had higher intensities in composites containing bacterial cellulose gel. Results obtained from freeze-thaw cycling test showed that composites containing cellulose gel had the higher internal bonding strength compared with other two composites after 20 cycles. In this study, fiber-cement composites produced from 7% bagasse fiber and bacterial cellulose gel have been selected as the optimum treatment. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • fiber- cement composites
  • bacterial nanocellulose
  • Mechanical properties
  • water absorption
  • XRD
  • freeze- thaw cycling

- مقدمه

در سال­های اخیر، محققین زیادی به بررسی اثر الیاف طبیعی به‌عنوان اجزای باربر در مواد کامپوزیتی پرداخته­اند [1، 2، 3]. کاربرد الیاف طبیعی در ساخت بتن ها و کامپوزیت های سیمانی به­دلیل ویژگی­های منحصر به فرد آن­ها این کامپوزیت­ها را به کامپوزیت های دوستدار محیط زیست تبدیل می­کند.

الیاف طبیعی لیگنوسلولزی با توجه به ویژگی­های جالب توجهی که دارند از جمله تجدیدپذیر بودن، در دسترس بودن، قیمت پایین، سبکی و خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب آن­ها، جای‌گزینی مناسب برای تقویت­کننده­های معمولی مانند فولاد و آزبست خطرناک در کامپوزیت­های سیمانی به شمار می­روند [4]. این کامپوزیت­ها گزینه مناسبی در صنعت ساختمان به­ویژه در کشورهای درحال توسعه و کشورهایی که به مصالح ساختمانی ارزان­قیمت نیاز دارند، می­باشند [5]. باگاس (تفاله نیشکر) یکی از پسماندهای کشاورزی بوده و با توجه به پتانسیل­هایی که در کشور ما از این لحاظ وجود دارد، می­تواندگزینه مناسبی جهت ساخت کامپوزیت­های فیبر- سیمان باشد [6]. در هر حال الیاف طبیعی که عموماً به­صورت دستجات هستند مقاومت پایین­تری (حدود 600 مگاپاسکال) در مقایسه با سلول فیبر (تا 1500 مگاپاسکال) دارند. بنابراین زمانی­که از نانوالیاف به‌عنوان تقویت‌کننده در این کامپوزیت­ها استفاده می­شود، مقاومت­های بالاتری پیش­بینی می­شود [7].

تولید نانوسلولز و استفاده از آن در ساخت کامپوزیت­های دوستدار محیط زیست، به دلیل ویژگی­های منحصر به فرد آن­ها توجه محققین زیادی را به خود جلب کرده است. سلولز باکتریایی توسط باکتری Acetobacterxylinum تولید می‌شود؛ سلولز تولید شده توسط این باکتری فاقد لیگنین، همی‌سلولز، پکتین و موم­ها است و درجه کریستالینیته بالا (حدود 75 درصد)، سطح ویژه بالا، درجه پلیمریزاسیون 6000-2000، ظرفیت جذب آب بالا، پایداری شیمیایی خوب، مقاومت مکانیکی بالا، حفظ مقاومت و شکل عالی دارد. ساختار کریستالی سلولز باکتریایی اغلب سلولز I است. گزارش شده است که غلبه سلولز Iα در سلولز باکتریایی کریستالینیته آن را بیشتر از سلولز گیاهی می­کند. لایه سلولز تولید شده، ساختار شبکه­ای فوق ریز دارد که نوارهایی با عرض 500 نانومتر و ضخامت 10 نانومتر تولید می­کند. نوارها شامل میکروفیبریل­های کوچکتر با مقطع عرضی Å 16×58 ضخامت 4-3 نانومتر و قطر 86-24 نانومتر است [8].

سلولز باکتریایی می­تواند در هر جایی که سلولز گیاهی استفاده می­شود، به­کار رود. این سلولز کاربردهای متعددی در رشته­های مختلف دانش از جمله مهندسی عمران، بیوتکنولوزی، پزشکی، داروسازی، صنایع غذایی، علم مواد و غیره دارد. یکی از مهم‌ترین کاربردهای این سلولز ساخت انواع مختلف کامپوزیت‌‌ها می­باشد. محققین خواص مکانیکی بیوکامپوزیت‌های نشاسته- سلولز باکتریایی را بررسی کردند؛ نتایج نشان داد که حضور نانوالیاف سلولز باکتریایی خواص کششی، مقاومت به رطوبت و حمله میکروارگانیسم­ها را بهبود می­بخشد [9]. همچنین بررسی­ها نشان داد که مقاومت کششی و مدول یانگ کامپوزیت­های سلولز استات بوتیرات تقویت­شده با ورقه­های سلولز باکتریایی افزایش یافت [10]. همچنین اثر استفاده از سلولز باکتریایی به عنوان یک نانوپلیمر زیستی در تقویت بتن و کامپوزیت­های سیمانی بررسی شده است. Shuzhen و همکاران عنوان کردند استفاده از سلولز باکتریایی در کامپوزیت‌های سیمانی مقاومت­های خمشی و فشاری را به ترتیب 20 و 8 درصد افزایش دادند. سلولز باکتریایی تولید ژل سیلیکات کلسیم هیدراته شده را در حین هیدراتاسیون تسریع می­کند [11].

اکثر کاربردهای این سلولز در ارتباط با تقویت ماتریکس­های پلیمری بوده است و اطلاعات کمی درباره اثر تقویت­کنندگی آن­ها در ماتریکس سیمان وجود دارد. از این جهت، هدف از این پژوهش بررسی اثر نوع نانوسلولز باکتریایی بر خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت­های فیبر- سیمان می­باشد. همچنین اثر چرخه ذوب- انجماد بر دوام کامپوزیت­ها جهت استفاده در مناطقی که در معرض دوره­های یخبندان و ذوب متوالی قرار دارند، بررسی شده است.

2- مواد و روش­ها

جهت ساخت کامپوزیت های فیبر سیمان از خمیر الیاف رنگبری نشده باگاس (لیگنین باقیمانده 7/2 درصد، طول الیاف mm 13/1 و قطر الیاف 5/29 میکرومتر) استفاده شد. مقدار الیاف بکار رفته، پس از تعیین مقدار بهینه در دو سطح 6 و 7 درصد وزنی سیمان در نظر گرفته شد. سیمان پرتلند نوع دو از کارخانه آبیک تهیه شد. همچنین از کلرید کلسیم به مقدار 5 درصد به عنوان کاتالیزور و فوق­روان­کننده به مقدار 5/0 درصد وزنی سیمان در همه نمونه­ها استفاده شدند. برای تولید سلولز از روش کشت باکتری Gluconacetobacterxylinus استفاده شد [12]. پس از پایان کشت، سلولز تولید شده استخراج و با محلول سود، دمای C°80 به مدت 1 ساعت خالص­سازی شد. برای بررسی ساختار سلولز باکتریایی تولید شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM) مدلHitachi SU 8090  با بزرگنمایی 20000 استفاده شد. بخشی از سلولز تولید شده با استفاده از مخلوط­کن به ژل تبدیل شد و بخشی از آن با استفاده از دستگاه خشک­کن سرمایشی مدل SCANVAC Cool Safe در دمای C°92- خشک و سپس با آسیاب دورانی آسیاب شد. مقدار سلولز مورد استفاده 50 درصد وزنی الیاف بود. جدول 1 سطوح عوامل متغیر را نشان می­دهد.

 

جدول 1- سطوح عوامل متغیر و مشخصات آن

عوامل متغیر

تعداد سطوح

توضیحات

مقدار الیاف

2

6 درصد الیاف

7 درصد الیاف

نوع سلولز باکتریایی

3

شاهد

پودر

ژل

برای ساخت تخته­ها، ملات با استفاده از دستگاه همزن با سرعت 1320 دور در دقیقه به مدت 3 دقیقه با دو وقفه یک دقیقه­ای مخلوط شد. پس از اختلاط کامل، ملات داخل قالب­هایی با ابعاد cm  5×10×25 ریخته و تحت فشار 10 کیلوگرم پرس شد. تخته­ها تحت قید و فشار به مدت 24 ساعت باقی ماندند. پس از اتمام فرایند گیرایی، به مدت یک ماه در شرایط 5±95 درصد رطوبت نسبی و دمای C°2±20 قرار گرفتند. در پایان در شرایط 5±65 درصد رطوبت نسبی و دمای C°2±20 قرار گرفتند تا به شرایط تعادل برسند. جرم مخصوص هدف 3g/cm 2/1 در نظر گرفته شد از هر تیمار 4 نمونه ساخته شد. پس از برش، آزمون­های مربوطه شامل اندازه­گیری مدول گسیختگی (MOR)، مدول الاستیسیته (MOE)، چقرمگی شکست (FT) و چسبندگی داخلی (IB) و جذب آب (WA) پس از غوطه­وری در آب به مدت 2 و 24 ساعت مطابق استاندارد DIN 68763 روی نمونه­های موردنظر انجام شد. آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) نمونه های شاهد، پودر و ژل نانوسلولز در محدوده °60-4 =θ2،  kV40 وmA  30 انجام شد. همچنین آزمون چرخه ذوب- انجماد  مطابق استاندارد طی بیست چرخه انجام شد [13]. سپس مقاومت چسبندگی داخلی (IBf-w) و جذب آب (WA) نمونه­ها اندازه­گیری شد. برای انجام آنالیز آماری از نرم‌افزار SPSS و آزمون فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی (CRD) استفاده شد. جهت تجزیه و تحلیل داده­ها از تکنیک تجزیه واریانس و گروه­بندی میانگین­ها براساس آزمون چند دامنه دانکن (DMRT) صورت گرفت.

 

3- نتایج

شکل 1 تصویر FE-SEM ساختار سلولز باکتریایی را نشان می‌دهد. سلولز تولید شده از میکروفیبریل­های درهم رفته با آرایش تصادفی و بدون جهت­گیری و زاویه مشخص تشکیل شده است. میانگین پهنای میکروفیبریل­ها نیز حدود 24 نانومتر اندازه­گیری شد.

 

شکل 1- تصویر FE-SEM نانوسلولز باکتریایی

شکل 2 اثر نوع سلولز باکتریایی را بر خواص مکانیکی و نیز گروه­بندی میانگین­ها را براساس آزمون دانکن نشان می­دهد. اثر مقدار الیاف بر مدول گسیختگی معنی­دار بود. کامپوزیت­های ساخته شده با 7 درصد الیاف مدول گسیختگی بالاتری (MPa 12/8) نسبت به کامپوزیت­های حاوی 6 درصد الیاف (MPa 41/7) از خود نشان دادند.

اثر سلولز باکتریایی بر مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته، مقاومت چسبندگی داخلی و چقرمگی شکست معنی­دار بود.

کامپوزیت­های حاوی ژل و پودر سلولز مدول گسیختگی و مدول الاستیسیته بالاتری در مقایسه با تیمار شاهد داشتند. براساس گروه­بندی دانکن کامپوزیت­های حاوی ژل سلولز باکتریایی بالاترین مقاومت چسبندگی داخلی (MPa 61/2) را داشتند. کامپوزیت­های حاوی پودر سلولز و شاهد به ترتیب با مقاومت چسبندگی داخلی 97/1 و 2 مگاپاسکال از لحاظ آماری در یک گروه قرار گرفتند. انرژی شکست کامپوزیت­های شاهد کمترین مقدار را داشت (kJ/m2 1/0) و کامپوزیت های حاوی ژل و پودر سلولز بالاترین چقرمگی شکست را داشته و از لحاظ گروه بندی دانکن در یک گروه قرار گرفتند.

شکل 3 اثر مقدار الیاف و نوع سلولز را بر جذب آب نشان می‌دهد.

جذب آب کامپوزیت­های ساخته شده با 7 درصد الیاف خمیر باگاس بیشتر از 6 درصد بوده است. همچنین در کامپوزیت­های حاوی 6 درصد الیاف، با استفاده از پودر و ژل سلولز باکتریایی جذب آب  کامپوزیت­ها پس از 2 و 24 ساعت غوطه­وری در آب افزایش یافته؛ در حالی­که در کامپوزیت­های حاوی 7 درصد الیاف، استفاده از ژل سلولز باکتریایی جذب آب را 55-51 درصد نسبت به کامپوزیت­های حاوی 6 درصد الیاف کاهش داده است.

آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) نمونه ها در شکل 4 آمده است. براساس تجزیه و تحلیل پیک­های XRD، فازهای هیدروکسیدکلسیم (Ca(OH)2)، لارنیت (Ca2SiO4)، کربنات­کلسیم (CaCO3)،هیدروکالومیت (Ca4Al2O6Cl2.10H2O)، کلسیم سیلیکات هیدراته (CaO.SiO2.H2O) واترینگیت (Ca6[Al(OH)6]2(SO4)3.26H2O) در نمونه­ها وجود داشتند. شدت پیک­های فراورده­های هیدراتاسیون عمده که مسئول مقاومت هستند از جمله هیدروکسید کلسیم (°47، °34، °18 =θ2) و ژل کلسیم سیلیکات هیدراته (°50، °32، °29 =θ2) در کامپوزیت های حاوی ژل بیشتر از پودر و کامپوزیت های شاهد بود. نانوسلولز به دلیل داشتن گروه­های هیدروکسیل فراوان و دردسترس تولید ژل کلسیم سیلیکات هیدراته را تسریع کرده و به واکنش­های هیدراتاسیون کمک می­کند. کمتر بودن شدت پیک­ها در کامپوزیت­های حاوی پودر سلولز بدلیل کمتر بودن گروه­های OH دردسترس، در توسعه واکنش­های هیدراتاسیون نقش کمتری داشته است.

برای بررسی دوام کامپوزیت­ها در برابر یخ­زدگی- ذوب شدن، مقاومت چسبندگی داخلی و جذب آب کامپوزیت­ها پس از بیست دوره­ متوالی ذوب و انجماد اندازه­گیری شد. شکل 5 مقاومت چسبندگی داخلی کامپوزیت­ها را قبل و بعد از چرخه ذوب – انجماد نشان می­دهد.

همانطور که ملاحظه می­شود مقاومت چسبندگی داخلی کامپوزیت­ها پس از چرخه ذوب- انجماد کاهش یافته و از لحاظ گروه­بندی دانکن مشابه قبل از اعمال چرخه ذوب و انجماد می‌باشند و مقاومت کامپوزیت­های حاوی ژل سلولز باکتریایی همچنان بالاتر از بقیه می­باشد.

در شکل 6 اثر نوع سلولز بر جذب آب کامپوزیت­ها قبل و بعد از چرخه ذوب- انجماد آمده است. کامپوزیت­های ساخته شده با پودر سلولز جذب آب بالاتری پس از 2 و 24 ساعت غوطه­وری در آب و قبل و بعد از چرخه ذوب و انجماد از خود نشان دادند و اختلاف جذب آب 2 و 24 ساعت نیز بعد از چرخه بیشتر بود.

شکل 7 تصویر SEM این کامپوزیت­ها را قبل و بعد از چرخه ذوب- انجماد نشان می­دهد. تورم الیاف در اثر جذب آب پس از اعمال چرخه های ذوب- انجماد به وضوح مشخص است.

 

شکل 7- تصویر SEM کامپوزیت های حاوی پودر سلولز قبل (الف) و بعد (ب) از چرخه ذوب- انجماد

 

 

شکل 2- اثر نوع سلولز باکتریایی بر خواص مکانیکی کامپوزیت­ها

شکل 3- اثر مقدار الیاف و نوع سلولز بر جذب آب کامپوزیت­ها

شکل 4- طیف XRD کامپوزیت­ها

 

 

 

 

شکل 5- مقاومت چسبندگی داخلی کامپوزیت­ها قبل و بعد از چرخه ذوب و انجماد

 

 

شکل 6- اثر نوع سلولز باکتریایی بر جذب آب کامپوزیت ها قبل و بعد از چرخه ذوب- انجماد

 

 

4- نتیجه گیری

براساس نتایج بدست­آمده، کامپوزیت­های حاوی ژل و پودر سلولز مدول گسیختگی و مدول الاستیسیته بالاتری در مقایسه با تیمار شاهد داشتند. سلولز باکتریایی درجه هیدراتاسیون، مقاومت کششی و مدول یانگ ( GPa134≤) بالایی داشته و با توجه به ساختار نانو و فوق ریز آن سطح ویژه را افزایش داده و خواص متفاوت و قابل توجهی از خود نشان می­دهد [14]؛ ضمن اینکه نانوسلولز گروه­های OH دردسترس زیادی دارد و از آنجاییکه ماتریکس سیمان و الیاف سلولز هر دو آبــــدوست هستند، تمایل

 

زیادی به برقراری پیوندهای شیمیایی با یکدیگر دارند. اتصالات قوی بین سلولز و سیمان باعث افزایش مقاومت­های خمشی کامپوزیت می­شود.

در این بررسی، کامپوزیت­های حاوی ژل سلولز باکتریایی بالاترین مقاومت چسبندگی داخلی را داشتند. تحقیقات نشان داد که در طول هیدراتاسیون، کریستال­ها با سطوح الیاف، حفرات سلولی و منافذ دیگر اتصال برقرار کرده و زمانیکه کریستال­ها رشد می­کنند به درون هر حفره و فضاهای خالی موجود نفوذ می­کنند [15]. در این کامپوزیت­ها، ژل سلولز باکتریایی بعنوان بخشی از ماده زمینه، در تمام قسمت­های ماتریکس سیمان توزیع شده و الیاف و سیمان را محکم کنار یکدیگر نگه می­دارد. در این کامپوزیت­ها نسبت Ca/Si بالاترین مقدار را داشت (81/4) که نشان دهنده تشکیل بیشتر فراورده­های هیدراتاسیون می­باشد.  سلولز باکتریایی نانوساختار بوده، سطح ویژه بالایی داشته و حرارت هیدراتاسیون را افزایش می­دهد؛ ضمن اینکه مقاومت کششی و مدول یانگ بالایی دارد که باعث افزایش مقاومت چسبندگی داخلی کامپوزیت می­شود.

در کامپوزیت­های شاهد،  معدنی شدن[1] الیاف اتفاق افتاده و یون‌های قلیایی و فراورده­های هیدراتاسیون سیمان در سطوح و داخل حفرات الیاف باگاس رسوب کرده­اند؛ بدین ترتیب، بیرون­کشی الیاف[2] در حین خمش کاهش یافته، الیاف انرژی کمتری جذب کرده و شکست ترد اتفاق می­افتد؛ در نتیجه چقرمگی شکست کاهش می­یابد؛ در این حالت کامپوزیت­ها به شدت شکننده هستند. استفاده از سلولز باکتریایی باعث افزایش انرژی جذب شده حین خمش و چقرمگی شکست ­شد. گزارش شده است که افزودن نانوسلولز تا 3 درصد، انرژی شکست را تا بیشتر از 50 درصد افزایش می­دهد [16].

در کامپوزیت­های حاوی 7 درصد الیاف، استفاده از ژل سلولز باکتریایی جذب آب را نسبت به کامپوزیت­های حاوی 6 درصد کاهش داد. در این کامپوزیت­ها احتمالاً به دلیل توزیع یکنواخت الیاف و ژل سلولز باکتریایی داخل ماتریکس سیمان و تراکم بیشتر، اتصالات داخلی افزایش یافته و فضاهای خالی کمتری برای نفوذ آب باقی مانده است. لازم به ذکر است جرم مخصوص این کامپوزیت­ها 3­g/cm 2/1 و با جرم مخصوص هدف برابر بود. ضمن اینکه ژل سلولز باکتریایی انرژی سطح بیشتری داشته و بدلیل افزایش سطح تماس الیاف با ماتریک سیمان، باعث تقویت سطح مشترک و افزایش درگیری مکانیکی آن با سیمان می­گردد [17]. بالاترین جذب آب متعلق به کامپوزیت­های حاوی پودر می­باشد. پودر سلولز ممکن در بین الیاف و سطح مشترک بین الیاف و ماتریکس سیمان اتصالاتی برقرار کند که باعث به دام افتادن برخی فضاهای خالی، افزایش تخلخل و به دنبال آن افزایش جذب آب شود. میانگین جرم مخصوص این کامپوزیت‌ها 3 g/cm­01/1 و کمتر از کامپوزیت­های ژل و شاهد بود.

در اثر دوره های متوالی ذوب و انجماد، آبی که یخ زده و ذوب می­شود موجب تنش­های مکانیکی می­گردد که ممکن است به کامپوزیت­های فیبر- سیمان خسارت وارد کند. خسارت ناشی از ذوب و یخ زدگی به این دلیل اتفاق می­افتد که مواد نفوذ­پذیر آب را جذب می­کنند؛ وقتی این آب یخ می­زند منبسط می­شود. مواد در دوره­های بعدی ذوب شدن بعلت افزایش تخلخل منبسط باقی مانده و نفوذپذیری افزایش می­یابد. اگر آب بیشتری در دسترس باشد، حفرات با آب بیشتری پر شده و در دوره بعدی یخ­زدگی بیشتر منبسط می­شوند. دوره­های متوالی ذوب- یخ باعث می­شود ماده به مرور دچار شکست یا تخریب شود [18].

در این پس از چرخه ذوب- انجماد کامپوزیت های حاوی ژل همچنان بالاترین مقاومت چسبندگی داخلی را داشتند. در کامپوزیت­های حاوی پودر سلولز، در اثر انبساط و انقباض الیاف داخل ماتریکس، سطح مشترک تا حدودی ضعیف شده، ترک­های میکروسکوپی افزایش می­یابد [19]. از این رو با افزایش تخلخل، قابلیت جذب آب این کامپوزیت­ها و اختلاف جذب آب پس از 2 و 24 ساعت پس از چرخه افزایش یافته است.. از طرف دیگر، آبی که در اثر ذوب یخ وارد نمونه­ها می­شود می‌تواند موجب توسعه واکنش­های قلیایی- سیلیکاتی[3] در کامپوزیت شود. این واکنش­ها باعث تشکیل و واکشیدگی ژل کلسیم سیلیکات هیدراته شده[4] و موجب افزایش حجم و تخلخل می­گردد (شکل 6، پایین).

به‌طور کلی کامپوزیت های فیبر- سیمان ساخته شده از 7 درصد الیاف باگاس با ژل نانوسلولز باکتریایی بهترین خواص  مکانیکی و فیزیکی را از خود نشان دادند. با توجه به ویژگی‌های منحصر  به فرد نانوسلولز باکتریایی، افزودن آن به کامپوزیت های سیمانی اثر قابل توجهی را در تقویت این کامپوزیت ها خواهد داشت. این کامپوزیت­ها برای کاربردهای داخلی مناسب بوده و  استفاده خارجی آن­ها در مناطقی که دوره­های یخبندان شدید و نوسانات دمایی شدید را تجربه می­کنند با پوشش های حفاظتی توصیه می‌شود.

5- قدردانی

نویسندگان لازم می­دانند از حمایت­های مالی دانشگاه تهران و ستاد ویژه توسعه فناوری نانو قدردانی کنند.

 

6- مراجع

[1] Ardanuy, M., Claramunt, J., Garcia-Hortal, J. A., Barra, M. “Fiber-Matrix Interactions in Cement Mortar Composites Reinforced with Cellulosic Fibers”. Cellulose, 18, 2, 281-289, 2011.

[2] Beckermann, G. W., Pickering, K. L. “Engineering and Evaluation of Hemp Fiber Reinforced Polypropylene Composites: Fiber Treatment and Matrix Modification”. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, 6, 979-988, 2008.

[3] John, M. J., Thomas, S. “Biofibers and Biocomposites”. Carbohydrate Polymers, 71 , 3, 343-364, 2008.

[4] Pandey, J. K., Ahn, S. H., Lee, C. S., Mohanty, A. K., Misra, M. “Recent Advances in the Application of Natural fiber based composites”. Macromulecular Materials and Engineering, 295, 11, 975-989, 2010.

[5] Claramunt, J., Ardanuy, M., Garcia- Hortal, J. A., Toledo Filho, R. D. “The hornification of vegetable fibers to Improve the Durability of Cement Mortar Composites”. Cement and Concrete Composites, 33, 5, 586-595, 2011.

[6] Khorami M. Ganjian E. “Comparing Flexural Behavior of Fiber-Cement Composites Reinforced Bagasse, Wheat, and Eucalyptus”. Construction and Building Material, 25, 9, 3661-3667, 2011.

[7] Stamboulis, A. Baillie, C. A. Peijs, T.   “Effect of Environmental Conditions on Mechanical and Physical Properties of Flax Fibers”. Composites Part A: Applied    Science and Manufacturing, 32, 8, 1105-1115, 2001.

[8] Guo, J., Catchmark, J. M. “Surface Aarea and Porosity of Acid Hydrolysed Cellulose Nanowhiskers and Cellulose Produced by Gluconacetobacter Xylinus”. Carbohydrate polymers, 87, 2, 1026-1037, 2012.

[9] Wan, Y. Z., Luo, H., He, F., Liang, H., Huang, Y., Li, X. L. “Mechanical, Moisture Absorption, and Biodegradation Behaviors of Bacterial Cellulose Fiber-Reinforced Starch Biocomposites”. Composite Science and Technology, 69, 7-8, 1212-1217, 2009.

[10] Gindl, W., Keckes, J. “Tensile Properties of Cellulose Acetate Butyrate Composites Reinforced with Bacterial Cellulose”. Composite Science and Technology, 64, 15, 2407-2413, 2004.

[11] Shuzhen, L., Ning, C., Zhonghua, P., Yanhua, P., Taifu, H. “Preparation and Properties of Bacterial Cellulose Reinforced Cement composites”. China Powder Science and Technology, 4, 016, 2011.

[12] Mohammadkazemi, F., Azin, M., Ashori, A. “Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media”. Carbohydrate Polymers. 117, 518-523, in press, 2015.

[13] Lopez-Anido, R., Michael, A. P., Sandford, T. S. “Freeze-Thaw Resistance of Fiber-Reinforced Polymer Composites Adhesive Bonds with Underwater Curing Epoxy”. Journal of Materials in Civil Engineering, 16, 3, 283-286, 2004.

 [14] Klemm, D., Schumann, D., Kramer, F., Hessler, N., Hornung, M., Schmauder, H-P., Marsch, S. “Nanocelluloses as Innovative Polymers in Research and Application”. Advances in Polymer Science, 205, 9, 49-96, 2006.

[15] Ahn, W. Y., Moslemi A. A. “SEM Examination of Wood–Portland Cement Bonds”. Wood Science, 13, 2, 77-82, 1980.

[16] Peters, S. J., Rushing, T. S., Landis, E. N., Cummins, T. K. “Nanocellulose and Microcellulose Fibers for Concrete”. Journal of the Transportation Research Board, 2142, 25–28, 2010.

[17] Frybort, S., Mauritz, R., Teischinger, A., Muller, U. “Investigation of the mechanical interactions at the interface of wood-cement composites by means of electronic speckle pattern interferometry”. Bioresources, 7, 2, 2483-2495, 2012.

[18] Cooke, A. M. “Durability of Autoclaved Cellulose Fiber Cement Composites”. The 7th Inorganic-Bonded Wood and Fiber Conference, Sun Valley, Idaho, USA, Sept.27, 1-37, 2000.

[19] Jang, S-J., Rokugo, K., Park, W-S., Yun, H-D. “Influence of Rapid Freeze-Thaw Cycling on the Mechanical Properties of Sustainable Strain-Hardening Cement”. Materials, 7, 2, 1422-1440, 2014.



[1] Mineralization

[2]Pull out

[3] Alkali-Silica Reactions

[4] CSH

[1] Ardanuy, M., Claramunt, J., Garcia-Hortal, J. A., Barra, M. “Fiber-Matrix Interactions in Cement Mortar Composites Reinforced with Cellulosic Fibers”. Cellulose, 18, 2, 281-289, 2011.

[2] Beckermann, G. W., Pickering, K. L. “Engineering and Evaluation of Hemp Fiber Reinforced Polypropylene Composites: Fiber Treatment and Matrix Modification”. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, 6, 979-988, 2008.

[3] John, M. J., Thomas, S. “Biofibers and Biocomposites”. Carbohydrate Polymers, 71 , 3, 343-364, 2008.

[4] Pandey, J. K., Ahn, S. H., Lee, C. S., Mohanty, A. K., Misra, M. “Recent Advances in the Application of Natural fiber based composites”. Macromulecular Materials and Engineering, 295, 11, 975-989, 2010.

[5] Claramunt, J., Ardanuy, M., Garcia- Hortal, J. A., Toledo Filho, R. D. “The hornification of vegetable fibers to Improve the Durability of Cement Mortar Composites”. Cement and Concrete Composites, 33, 5, 586-595, 2011.

[6] Khorami M. Ganjian E. “Comparing Flexural Behavior of Fiber-Cement Composites Reinforced Bagasse, Wheat, and Eucalyptus”. Construction and Building Material, 25, 9, 3661-3667, 2011.

[7] Stamboulis, A. Baillie, C. A. Peijs, T.   “Effect of Environmental Conditions on Mechanical and Physical Properties of Flax Fibers”. Composites Part A: Applied    Science and Manufacturing, 32, 8, 1105-1115, 2001.

[8] Guo, J., Catchmark, J. M. “Surface Aarea and Porosity of Acid Hydrolysed Cellulose Nanowhiskers and Cellulose Produced by Gluconacetobacter Xylinus”. Carbohydrate polymers, 87, 2, 1026-1037, 2012.

[9] Wan, Y. Z., Luo, H., He, F., Liang, H., Huang, Y., Li, X. L. “Mechanical, Moisture Absorption, and Biodegradation Behaviors of Bacterial Cellulose Fiber-Reinforced Starch Biocomposites”. Composite Science and Technology, 69, 7-8, 1212-1217, 2009.

[10] Gindl, W., Keckes, J. “Tensile Properties of Cellulose Acetate Butyrate Composites Reinforced with Bacterial Cellulose”. Composite Science and Technology, 64, 15, 2407-2413, 2004.

[11] Shuzhen, L., Ning, C., Zhonghua, P., Yanhua, P., Taifu, H. “Preparation and Properties of Bacterial Cellulose Reinforced Cement composites”. China Powder Science and Technology, 4, 016, 2011.

[12] Mohammadkazemi, F., Azin, M., Ashori, A. “Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media”. Carbohydrate Polymers. 117, 518-523, in press, 2015.

[13] Lopez-Anido, R., Michael, A. P., Sandford, T. S. “Freeze-Thaw Resistance of Fiber-Reinforced Polymer Composites Adhesive Bonds with Underwater Curing Epoxy”. Journal of Materials in Civil Engineering, 16, 3, 283-286, 2004.

 [14] Klemm, D., Schumann, D., Kramer, F., Hessler, N., Hornung, M., Schmauder, H-P., Marsch, S. “Nanocelluloses as Innovative Polymers in Research and Application”. Advances in Polymer Science, 205, 9, 49-96, 2006.

[15] Ahn, W. Y., Moslemi A. A. “SEM Examination of Wood–Portland Cement Bonds”. Wood Science, 13, 2, 77-82, 1980.

[16] Peters, S. J., Rushing, T. S., Landis, E. N., Cummins, T. K. “Nanocellulose and Microcellulose Fibers for Concrete”. Journal of the Transportation Research Board, 2142, 25–28, 2010.

[17] Frybort, S., Mauritz, R., Teischinger, A., Muller, U. “Investigation of the mechanical interactions at the interface of wood-cement composites by means of electronic speckle pattern interferometry”. Bioresources, 7, 2, 2483-2495, 2012.

[18] Cooke, A. M. “Durability of Autoclaved Cellulose Fiber Cement Composites”. The 7th Inorganic-Bonded Wood and Fiber Conference, Sun Valley, Idaho, USA, Sept.27, 1-37, 2000.

[19] Jang, S-J., Rokugo, K., Park, W-S., Yun, H-D. “Influence of Rapid Freeze-Thaw Cycling on the Mechanical Properties of Sustainable Strain-Hardening Cement”. Materials, 7, 2, 1422-1440, 2014.