Crosslinking of Shellac with Citric and Phosphoric Acids for Improved Wood Adhesive Performance
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नवीकरणीय शेलैक को साइट्रिक एसिड और फास्फोरिक एसिड के साथ क्रॉसलिंकिंग करने से इसकी शुष्क और गीली बंधन शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, जिससे एक सतत, हरित रणनीति के माध्यम से क्यूरिंग प्रक्रिया को तेज करते हुए गैर-संरचनात्मक लकड़ी के चिपकने वाले प्रदर्शन (D1) को प्राप्त किया जाता है।
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लकड़ी एक जीवित सामग्री है जो सांस लेती है, नमी सोखने पर फैलती है और सूखने पर सिकुड़ती है। यह निरंतर गति उन लोगों के लिए एक अनूठी चुनौती पैदा करती है जो इसे आपस में चिपकाने की कोशिश कर रहे होते हैं। एक गोंद इतना मजबूत होना चाहिए कि टुकड़ों को मजबूती से थाम सके, फिर भी इतना लचीला होना चाहिए कि लकड़ी के हिलने-डुलने पर टूटे बिना खिंच सके और दब सके। सदियों से, मनुष्यों ने इस कार्य के लिए प्राकृतिक रेजिन की ओर रुख किया है, जिसमें शेलैक (shellac) भी शामिल है, जो 'लैक बग' नामक एक छोटे से कीट के स्राव से प्राप्त होने वाला एक चमकदार, एम्बर-रंग का पदार्थ है। हालांकि शेलैक का उपयोग फर्नीचर वार्निश करने से लेकर किताबों को बांधने तक सब कुछ करने के लिए किया जाता रहा है, लेकिन लकड़ी पर इसके उपयोग में एक बड़ी कमजोरी है: इसे पानी के विरुद्ध टिकने में संघर्ष करना पड़ता है। शुष्क परिस्थितियों में, यह काफी मजबूत होता है, लेकिन एक बार नमी शामिल हो जाने पर, बंधन अक्सर विफल हो जाता है। इस सीमा ने इसे आधुनिक निर्माण और फर्नीचर निर्माण के लिए आवश्यक कड़े मानकों को पूरा करने से रोक दिया है, जहाँ स्थायित्व गैर-परक्राम्य (non-negotiable) है।
वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि शेलैक एक प्रकार का पॉलिएस्टर है, जो रासायनिक बंधों द्वारा जुड़े अणुओं की एक श्रृंखला है। इसे अधिक मजबूत और जल-प्रतिरोधी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसे गर्म करने या अन्य रसायनों के साथ मिलाने का प्रयास किया है। लक्ष्य एक क्रॉसलिंक्ड नेटवर्क बनाना है, जो थोड़ा वैसा ही है जैसे ढीले स्पैगेटी के ढेर को एक ठोस, परस्पर जुड़े हुए जाल में बदलना, जिसे पानी आसानी से प्रवेश न कर सके। इस काम के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार साइट्रिक एसिड है, वही खट्टा पदार्थ जो नींबू और लाइम में पाया जाता है। क्योंकि यह प्राकृतिक, सस्ता और गैर-विषैला है, यह कठोर सिंथेटिक रसायनों के लिए एक आकर्षक विकल्प है। हालांकि, केवल साइट्रिक एसिड को शेलैक के साथ मिलाने से एक आदर्श बंधन की गारंटी नहीं मिलती है; दोनों को सही परिस्थितियों में एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए प्रेरित करने की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं के सामने प्रश्न यह था कि क्या वे इस सरल, 'ग्रीन' सामग्री का उपयोग शेलैक को एक ऐसे लकड़ी के गोंद में बदलने के लिए कर सकते हैं जो शक्तिशाली और पानी के प्रति प्रतिरोधी दोनों हो, और यदि ऐसा है, तो वे इसे ठीक से कैसे करेंगे।
ल्युब्लियाना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने शेलैक, साइट्रिक एसिड और फॉस्फोरिक एसिड (एक सामान्य औद्योगिक उत्प्रेरक) की थोड़ी मदद से इसका उत्तर देने के लिए प्रयोग करके इसकी रूपरेखा तैयार की। उन्होंने एक तरल गोंद बनाने के लिए शेलैक के फ्लेक्स को अल्कोहल में घोलकर शुरुआत की। इस मिश्रण में, उन्होंने विभिन्न मात्रा में साइट्रिक एसिड मिलाया। कुछ बैचों में, उन्होंने फॉस्फोरिक एसिड को भी शामिल किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह रासायनिक प्रतिक्रिया को तेज कर सकता है। टीम ने इन मिश्रणों को यूरोपीय बीच (European beech) की लकड़ी के पतले स्लाइस पर लगाया और उन्हें एक हॉट प्रेस में दबाया। उन्होंने 125 से 175 डिग्री सेल्सियस तक के विभिन्न तापमानों पर और कुछ सेकंड से लेकर आधे घंटे तक की विभिन्न अवधि के लिए बंधनों का परीक्षण किया। गोंद के भीतर क्या हो रहा है, यह समझने के लिए उन्होंने कई वैज्ञानिक उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने इन्फ्रारेड लाइट का उपयोग करके पके हुए गोंद की रासायनिक संरचना को देखा, जो एक फिंगरप्रिंट स्कैनर की तरह काम करता है और यह प्रकट करता है कि अणु कैसे बदले हैं। उन्होंने पके हुए गोंद को अल्कोहल में भिगोकर भी देखा कि उसका कितना हिस्सा घुल जाता है; यदि गोंद सफलतापूर्वक एक ठोस नेटवर्क में क्रॉसलिंक हो गया था, तो वह घुलने का विरोध करेगा। अंत में, उन्होंने एक मशीन का उपयोग करके बंधों की मजबूती को मापा जो लकड़ी के टुकड़ों को अलग करने के लिए खींचती है ताकि यह देखा जा सके कि गोंद कितना बल सह सकता है।
परिणामों ने दिखाया कि साइट्रिक एसिड वास्तव में शेलैक के साथ प्रतिक्रिया करता है। रासायनिक विश्लेषण से पता चला कि शेलैक के हाइड्रॉक्सिल समूह एसिड समूहों के साथ जुड़कर नए एस्टर लिंक बना रहे थे। इस प्रक्रिया ने एक सघन, अधिक परस्पर जुड़ी संरचना बनाई जो अल्कोहल को तोड़ने में बहुत कठिन थी। जब शोधकर्ताओं ने फॉस्फोरिक एसिड जोड़ा, तो उन्होंने पाया कि इसने एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य किया, जिससे प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो गई। इसका अर्थ यह था कि गोंद कम तापमान पर और तेजी से पक सकता है, जो कि विनिर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है। हालांकि, फॉस्फोरिक एसिड के साथ एक समझौता (trade-off) भी आया। जबकि इसने प्रतिक्रिया को जल्दी शुरू करने में मदद की, इसने कभी-कभी कम स्थिर अंतिम संरचना भी दी यदि गोंद को बहुत लंबे समय तक या बहुत उच्च तापमान पर गर्म किया गया, जिससे सामग्री काली पड़ गई और थोड़ी अधिक घुलनशील हो गई। सबसे सफल फॉर्मूलेशन वह मिश्रण था जिसमें वजन के अनुसार 20 प्रतिशत साइट्रिक एसिड था, जिसे 175 डिग्री सेल्सियस पर दबाया गया था। इस विशिष्ट संयोजन ने एक ऐसा बंधन बनाया जो न केवल सादे शेलैक से मजबूत था बल्कि बेहतर जल प्रतिरोध भी प्रदर्शित करता था।
जब शोधकर्ताओं ने अपने अंतिम उत्पाद का यूरोपीय लकड़ी के एडहेसिव मानकों के विरुद्ध परीक्षण किया, तो परिणाम उत्साहजनक थे। 20 प्रतिशत साइट्रिक एसिड के साथ संशोधित शेलैक ने 10 मेगापास्कल से अधिक की शुष्क बंधन शक्ति हासिल की, जो एक स्तर की मजबूती है जो इसे शुष्क वातावरण, जैसे कि इनडोर फर्नीचर के लिए गैर-संरचनात्मक अनुप्रयोगों के योग्य बनाती है। यह बिना संशोधित शेलैक की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जो अक्सर इन मानकों से कम रह जाता है। संशोधित गोंद ने मूल सामग्री की तुलना में पानी के संपर्क में आने पर बेहतर प्रदर्शन भी दिखाया, जिसमें कुछ नमूने अधिक मांग वाली स्थितियों के मानदंडों को भी पूरा कर रहे थे। अध्ययन ने पुष्टि की कि बंधन की मजबूती प्रेस के तापमान और उपयोग किए गए साइट्रिक एसिड की मात्रा पर बहुत अधिक निर्भर थी। जबकि फॉस्फोरिक एसिड ने कम तापमान की अनुमति दी, उच्चतम शक्ति अभी भी उच्च गर्मी और केवल साइट्रिक एसिड के साथ प्राप्त की गई थी। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि लकड़ी की अपनी प्राकृतिक परिवर्तनशीलता ने भी परिणामों में भूमिका निभाई, क्योंकि लकड़ी के अलग-अलग टुकड़े पानी के संपर्क के तनाव के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया करते हैं।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि साइट्रिक एसिड जैसी एक साधारण, प्राकृतिक सामग्री का उपयोग एक प्राचीन एडहेसिव को आधुनिक, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री में अपग्रेड करने के लिए किया जा सकता है। गर्मी और रासायनिक मिश्रण को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, शोधकर्ता एक ऐसा शेलैक-आधारित गोंद बनाने में सक्षम रहे जो मजबूत, टिकाऊ और पर्यावरण के अनुकूल है। हालांकि जल प्रतिरोध में अभी भी सुधार की गुंजाइश है और इस प्रक्रिया के लिए सटीक नियंत्रण की आवश्यकता है, ये निष्कर्ष टिकाऊ लकड़ी के एडहेसिव विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। अध्ययन बताता है कि आगे के शोधन के साथ, ये बायो-आधारित गोंद सिंथेटिक विकल्पों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बन सकते हैं, जो लकड़ी को जोड़ने का एक ऐसा तरीका प्रदान करते हैं जो प्रभावी भी है और पर्यावरण के अनुकूल भी। मुख्य बात यह है कि प्राकृतिक सामग्रियों के रसायन विज्ञान को समझकर, वैज्ञानिक रोजमर्रा की सामग्रियों के लिए नई संभावनाएं खोल सकते हैं, जिससे एक साधारण कीट स्राव को आधुनिक निर्माण के लिए एक मजबूत समाधान में बदला जा सकता है।
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