CoverLogo (40)

เซลลูโลสแบคทีเรียเพื่อการประดิษฐ์เป็นวัสดุไฮบริด

วัสดุใหม่ๆ ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีคุณภาพดียังมีอยู่จริง… วัสดุเส้นใยเซลลูโลส ที่มีพื้นที่ผิวเยอะๆ ขนาดเส้นที่เล็กๆ สามารถเอาไปใช้ทำผลิตภัณฑ์ได้หลากหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็น วัสดุสำหรับสิ่งทอไฮเทค เซนเซอร์ทางแม่เหล็ก ที่ใช้ในการเก็บข้อมูล หรือ การป้องกันการโจรกรรม เป็นต้น แต่วัสดุดีๆแบบนี้เค้าผลิตกันอย่างไร ผลิตยากแค่ไหน สามารถติดตามอ่านได้จากบทความนี้กัน

แบคทีเรียเซลลูโลส (bacterial cellulose, BC) เป็นวัสดุธรรมชาติที่น่าสนใจมาก เพราะมีสมบัติเด่นหลายอย่าง เช่น สมบัติเชิงกลที่ดี ความมีรูพรุนสูง ดูดซับน้ำได้มาก ขึ้นรูปได้ง่าย ย่อยสลายตามธรรมชาติได้ และไม่มีความเป็นพิษ เมื่อนำมาทำเป็นวัสดุผสม หรือคอมโพสิต จึงช่วยให้สามารถเพิ่มสมบัติได้อีกมาก โดยเฉพาะสมบัติด้านพื้นผิวที่สูงของวัสดุแบคทีเรียเซลลูโลสนี้เองทำให้อะตอมหรือโมเลกุลของสารอื่นๆสามารถยึดเกาะได้ดี วัสดุคอมโพสิตหรือวัสดุผสมที่ได้จึงมีสมบัติที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างหลากหลาย เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา สมบัติเชิงแสง หรือสมบัติทางแม่เหล็ก เป็นต้น

ดังนั้นงานวิจัยนี้ จึงได้ศึกษาการประดิษฐ์วัสดุไฮบริด*ที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กโดยมีเซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นองค์ประกอบสำคัญ และศึกษาลักษณะเฉพาะของวัสดุที่สังเคราะห์ได้ รวมทั้งสมบัติต่างๆเพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตจากแบคทีเรียเซลลูโลส(BC) กับอนุภาคแม่เหล็กนาโน ที่มีสมบัติเหมาะสมจะไปใช้งานด้านต่างๆ

*วัสดุไฮบริด เป็นวัสดุที่เตรียมได้จากการผสมผสานวัสดุตั้งต้นตั้งแต่2วัสดุขึ้นไปที่สามารถทำงานร่วมกันได้

วัสดุแบคทีเรียเซลลูโลสคอมโพสิตอย่างไร

– ทำการสังเคราะห์แบคทีเรียเซลลูโลส โดยทำการเลี้ยงเชื้อแบคทีเรีย Gluconacetobacter
xylinum และนำไปผ่านการบ่มและเก็บเกี่ยว จะได้วุ้นแบคทีเรียเซลลูโลส จากนั้นนำไปฆ่าเชื้อแบคทีเรีย และนำไปทำแห้ง
– สังเคราะห์กระดาษแม่เหล็กสีขาวจากแบคทีเรียเซลลูโลส(BC)คอมโพสิต ในส่วนของกระดาษ
แม่เหล็ก ได้สังเคราะห์อนุภาคแม่เหล็กนาโนของโคบอลต์เฟอไรต์เข้าในโครงสร้างของแบคทีเรียเซลลูโลส (MBC) ส่วนกระดาษสีขาวได้จากการสังเคราะห์อนุภาคนาโน ZnO เข้าในโครงสร้างของแบคทีเรียเซลลูโลส(ZBC)อีกแผ่นเช่นกัน จากนั้นนำแผ่นทั้งสองชนิดมาประกบกันในลักษณะแซนวิช ZBC/MBC/ZBC ก่อนนำไปอบด้วยความร้อน สามารถสรุปได้ดังรูปด้านล่างนี้

– ขั้นต่อมานำอนุภาคนาโน Fe3O4 แพร่เข้าสู่ โครงสร้างเส้นใยนาโนของ BC โดยทำการเปลี่ยนความ
เข้มข้นของ ferrofluid(สารละลายของอนุภาคนาโนFe3O4) เป็น 1, 3, 5, 10, และ 20 % โดยปริมาตร และนำไปผ่านกระบวนการไพโรไลซิส จะทำให้ BC เปลี่ยนไปเป็นเส้นใยคารบ์อนนาโนที่มีอนุภาคแม่เหล็ก Fe3O4 อยู่ในโครงสร้างเพื่อนำไปทดสอบความสามารถในการดูดซับน้ำมัน

คุณสมบัติและผลการทดลองใช้งาน

งานวิจัยนี้สามารถสังเคราะห์เซลลูโลสจากแบคทีเรียด้วยกระบวนการเลี้ยงเชื้อแบคทีเรีย Gluconacetobacter xylinum ได้สำเร็จ ได้แผ่น BC ที่มีลักษณะวุ้นขาวใส ประกอบไปด้วยเส้นใยนาโนขนาดน้อยกว่า 100 นาโนเมตร และจากการเตรียมวัสดุคอมโพสิตแบคทีเรียเซลลูโลสกับอนุภาคแม่เหล็กนาโน Fe3O4 (MBC)พบว่าสามารถตอบสนองกับแม่เหล็กภายนอกได้ดีมาก และจากการปรับปรุงสีของเมมเบรนแบคทีเรียเซลลูโลสคอมโพสิตซึ่งมีสีดำ โดยการสังเคราะห์อนุภาคนาโน ZnO ในโครงสร้างของ BC(ZBC) เพื่อให้ได้กระดาษสีขาวและนำมาประกบกับแม่เหล็กBC(MBC) ผลปรากฏว่า วัดค่าความขาวได้มากกว่า80%และจากการทดสอบความแข็งแรง พบว่า BC/BC มีสมบัติเชิงกลดีที่สุด ส่วนผลการทดสอบการตอบสนองกับแม่เหล็กภายนอก พบว่ากระดาษแม่เหล็กสีขาว(ZBC/MBC/ZBC)ที่สังเคราะห์ได้ในงานนี้สามารถดึงดูดได้ด้วยแท่งแม่เหล็กถาวร** สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านการตรวจจับสัญญาณด้วยการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก

**แม่เหล็กถาวร คือแม่เหล็กที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กตลอดไป เช่น แม่เหล็กที่ใช้ในลำโพง เป็นต้น

และจากการใช้เส้นใยคารบ์อนนาโนจากแผ่น BC โดย นำแบคทีเรียเซลลูโลสในสถานะไฮโดรเจลจุ่มลงในสารละลาย ferrofluid แช่ทิ้งไว้ที่อุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสม จะได้แผ่นแม่เหล็กคอมโพสิตBCตามที่ต้องการ หลังจากนั้นนำแผ่นแม่เหล็ก BC ที่ได้ไปผ่านกระบวนการไพโรไลซิสเพื่อให้โมเลกุลของแม่เหล็ก BC เกิดการแตกตัวเป็นโมเลกุลขนาดเล็กลง โดยให้ความร้อนที่อุณหภูมิมากกว่า400 องศาเซลเซียส เพื่อให้เส้นใยเซลลูโลสเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสไปเป็นเส้นใยคาร์บอนนาโน ทำให้ได้คอมโพสิตของเส้นใยคาร์บอน(CNF)กับอนุภาคแม่เหล็ก ของ CNF/Fe3O4 ที่มีค่าสภาพแม่เหล็กอิ่มตัวสูงกว่า CNF/Fe3O4 มาก ส่งผลให้มีการตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกได้ดี และมีการกระจายตัวของอนุภาคแม่เหล็กที่ดีในโครงสร้างของเส้นใยนาโนคาร์บอน แต่เมื่อนำไปทดสอบสมบัติการดูดซับน้ำมันพบว่า เส้นใยคาร์บอนนาโนจาก BC ที่ไม่ได้เติมอนุภาคแม่เหล็ก สามารถดูดซับน้ำมันได้ถึง16,000% ซึ่งดูดซับน้ำมันได้ดีกว่าเส้นใยคาร์บอนที่เติมอนุภาคแม่เหล็ก(CNF/Fe3O4) ที่ดูดซับน้ำมันได้ประมาณ2,000% ของน้ำหนักตัวมันเอง อีกทั้งเส้นใยคาร์บอนนาโนจาก BC ที่ไม่ได้เติมอนุภาคแม่เหล็กยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้โดยการแยกด้วยแรงทางแม่เหล็กอีกด้วย เมื่อนำเส้นใยคาร์บอนนาโนจาก BCที่ไม่ได้เติมอนุภาคแม่เหล็กที่ผ่านการใช้งานแล้ว ไปทดสอบสมบัติการดูดซับน้ำมันพบว่าสามารถดูดซับน้ำมันได้ประมาณ1,000%ของน้ำหนักเริ่มต้นของวัสดุ จึงเห็นได้ว่า ทั้ง CNF/Fe3O4 และ BC/Fe3O4 มีความสามารถในการนำไปใช้เป็นวัสดุดูดซับคราบน้ำมันที่ปนเปื้อนในแหล่งน้ำได้ โดย BC/Fe3O4 มีประสิทธิภาพในด้านการดูดซับน้ำมันได้ดีที่สุด

ประโยชน์ที่ได้รับ และแนวทางการนำไปใช้ในอนาคต

งานวิจัยนี้สามารถสังเคราะห์เส้นใยคาร์บอนนาโน ซึ่งเป็นวัสดุธรรมชาติที่สามารถควบคุมการกระจายตัวของอนุภาคแม่เหล็กนาโนได้อย่างดีเยี่ยม สามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นผลิตภัณฑ์เสริมความแกร่ง ผลิตภัณฑ์เส้นใยและสิ่งทอ รวมไปถึงการประยุกต์ใช้งานด้านเซนเซอร์ หรือการดักจับโลหะหนักในน้ำ และนำไปใช้เป็นวัสดุดูดซับสำหรับกำจัดคราบน้ำมันที่ปนเปื้อนในแหล่งน้ำต่างๆได้อีกด้วย ในอนาคตผลิตภัณฑ์ที่ต่อยอดจากงานวิจัยนี้ อาจช่วยเพิ่มผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงให้กับหลากหลายอุตสาหกรรมในประเทศไทยได้อย่างแน่นอน

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การประดิษฐ์ศึกษาลักษณะเฉพาะและสมบัติของวัสดุไฮบริดที่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กโดยมีเซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นส่วนประกอบหลัก”

หัวหน้าโครงการ : สุปรีดิ์ พินิจสุนทร
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist