Целлюлозное волокно
Целлюлозные волокна ( / ˈ s ɛ lj ʊ l oʊ s , - l oʊ z / ) [1] представляют собой волокна, изготовленные из простых или сложных эфиров целлюлозы, которые можно получить из коры, древесины или листьев растений или из другого материала растительного происхождения. Помимо целлюлозы волокна могут также содержать гемицеллюлозу и лигнин , при этом различное процентное содержание этих компонентов изменяет механические свойства волокон.
Основные области применения целлюлозных волокон находятся в текстильной промышленности, в качестве химических фильтров и армирующих волокна композитов. [2] из-за их свойств, подобных инженерным волокнам, они являются еще одним вариантом для биокомпозитов и полимерных композитов.
История
[ редактировать ]Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном , который выделил ее из растительного сырья и определил ее химическую формулу. [3] Целлюлоза была использована для производства первого успешного термопластичного полимера, целлулоида, компанией Hyatt Manufacturing Company в 1870 году. Производство вискозы («искусственного шелка») из целлюлозы началось в 1890-х годах, а целлофан был изобретен в 1912 году. В 1893 году Артур Д. Литтл из Бостона изобрел еще один продукт из целлюлозы, ацетат, и разработал из него пленку. Первое коммерческое использование ацетата в форме волокна в текстиле было разработано компанией Celanese в 1924 году. Герман Штаудингер определил полимерную структуру целлюлозы в 1920 году. Это соединение было впервые химически синтезировано (без использования каких-либо ферментов биологического происхождения) в 1992 году Кобаяши и Шода.
Структура целлюлозы
[ редактировать ]Целлюлоза представляет собой полимер, состоящий из повторяющихся молекул глюкозы, соединенных концами. [4] Молекула целлюлозы может иметь длину от нескольких сотен до более 10 000 единиц глюкозы. Целлюлоза по форме похожа на сложные углеводы, такие как крахмал и гликоген . Эти полисахариды также состоят из нескольких субъединиц глюкозы. Разница между целлюлозой и другими сложными углеводными молекулами заключается в том, как молекулы глюкозы связаны друг с другом. Кроме того, целлюлоза представляет собой полимер с прямой цепью, а каждая молекула целлюлозы длинная и стержнеобразная. Это отличается от крахмала, который представляет собой спиральную молекулу. Результатом этих различий в структуре является то, что, по сравнению с крахмалом и другими углеводами, целлюлоза не может расщепляться на субъединицы глюкозы никакими ферментами, вырабатываемыми животными.
Типы
[ редактировать ]Натуральные целлюлозные волокна
[ редактировать ]Натуральные целлюлозные волокна по-прежнему можно распознать как полученные из исходного растения, поскольку они обрабатываются только в той степени, которая необходима для очистки волокон для использования. [ нужна ссылка ] Например, хлопковые волокна выглядят как мягкие пушистые ватные шарики, из которых они сделаны. Льняные волокна выглядят как прочные волокнистые нити льна . Все «натуральные» волокна проходят процесс отделения от частей растения, не используемых для получения конечного продукта, обычно путем сбора урожая , отделения от плевел , очистки и т. д. Наличие линейных цепочек из тысяч единиц глюкозы соединенные друг с другом, позволяют образовывать сильные водородные связи между ОН-группами соседних цепей, заставляя их плотно упаковываться в целлюлозные волокна. В результате целлюлоза мало взаимодействует с водой или любым другим растворителем. Например, хлопок и древесина совершенно нерастворимы в воде и обладают значительной механической прочностью. Поскольку целлюлоза не имеет спиральной структуры, как амилоза, она не связывается с йодом с образованием окрашенного продукта.
Производство целлюлозных волокон
[ редактировать ]Произведенные целлюлозные волокна получают из растений, которые перерабатываются в целлюлозу , а затем экструдируются таким же образом, как синтетические волокна, такие как полиэстер или нейлон производятся . Вискоза или вискоза — одно из наиболее распространенных «произведенных» целлюлозных волокон, которые могут быть изготовлены из древесной массы.
Структура и свойства
[ редактировать ]Натуральные волокна состоят из микрофибрилл целлюлозы в матрице из гемицеллюлозы и лигнина. Этот тип структуры и их химический состав отвечают за наблюдаемые механические свойства. Поскольку натуральные волокна образуют водородные связи между длинными цепями, они обладают необходимой жесткостью и прочностью.
Химический состав
[ редактировать ]Основными компонентами натуральных волокон ( лигноцеллюлозы ) являются целлюлоза, гемицеллюлоза , лигнин , пектин и зола . Процентное содержание каждого компонента варьируется для каждого типа волокна, однако обычно оно составляет около 60–80% целлюлозы, 5–20% лигнина и 20% влаги, помимо гемицеллюлозы и небольшого процента остаточных химических компонентов. Свойства волокна изменяются в зависимости от количества каждого компонента, поскольку гемицеллюлоза отвечает за влагопоглощение, био- и термическую деградацию, тогда как лигнин обеспечивает термическую стабильность, но отвечает за деградацию под воздействием ультрафиолета. Химический состав обычных натуральных волокон показан ниже; [5] они различаются в зависимости от того, является ли волокно лубяным волокном (полученным из коры), сердцевинным волокном (полученным из древесины) или листовым волокном (полученным из листьев).
| Тип волокна | Целлюлоза (%) | Лигнин (%) | Гемицеллюлоза (%) | Пектин (%) | Пепел (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Лубяное волокно | Лен-долгунец | 71 | 2.2 | 18.6 – 20.6 | 2.3 | – |
| Семена льна | 43–47 | 21–23 | 24–26 | – | 5 | |
| Я знаю | 31–57 | 15–19 | 21.5–23 | – | 2–5 | |
| Джут | 45–71.5 | 12–26 | 13.6–21 | 0.2 | 0.5–2 | |
| Конопля | 57–77 | 3.7–13 | 14–22.4 | 0.9 | 0.8 | |
| Рука | 68.6–91 | 0.6–0.7 | 5–16.7 | 1.9 | – | |
| Сердцевинное волокно | Я знаю | 37–49 | 15–21 | 18–24 | – | 2–4 |
| Джут | 41–48 | 21–24 | 18–22 | – | 0.8 | |
| Листовое волокно | Абака | 56–63 | 7–9 | 15–17 | – | 3 |
| Сизаль | 47–78 | 7–11 | 10–24 | 10 | 0.6–1 | |
| Хенекен | 77.6 | 13.1 | 4–8 | – | – | |
Механические свойства
[ редактировать ]Реакция целлюлозного волокна на механические нагрузки меняется в зависимости от типа волокна и его химической структуры. Информация об основных механических свойствах показана в таблице ниже, и ее можно сравнить со свойствами обычно используемых волокон, таких как стекловолокно , арамидное волокно и углеродное волокно .
| Волокно | Плотность (г/см 3 ) | Удлинение (%) | Предел прочности (МПа) | Модуль Юнга (ГПа) |
|---|---|---|---|---|
| Хлопок | 1.5–1.6 | 3.0–10.0 | 287–597 | 5.5–12.6 |
| Джут | 1.3–1.46 | 1.5–1.8 | 393–800 | 10–30 |
| Лен | 1.4–1.5 | 1.2–3.2 | 345–1500 | 27.6–80 |
| Конопля | 1.48 | 1.6 | 550–900 | 70 |
| Рука | 1.5 | 2.0–3.8 | 220–938 | 44–128 |
| Сизаль | 1.33–1.5 | 2.0–14 | 400–700 | 9.0–38.0 |
| Койровое волокно | 1.2 | 15.0–30.0 | 175–220 | 4.0–6.0 |
| Крафт из хвойной древесины | 1.5 | – | 1000 | 40.0 |
| Е-стекло | 2.5 | 2.5–3.0 | 2000–3500 | 70.0 |
| S – стекло | 2.5 | 2.8 | 4570 | 86.0 |
| Производительность | 1.4 | 3.3–3.7 | 3000–3150 | 63.0–67.0 |
| Углерод | 1.4 | 1.4–1.8 | 4000 | 230.0–240.0 |
Поверхностные и межфазные свойства
[ редактировать ]Гидрофильность, шероховатость и поверхностный заряд определяют взаимодействие целлюлозных волокон с водной средой. Уже в 1950 году заряд на границе раздела между хлопком как преобладающим целлюлозным волокном и водной средой был исследован методом потокового потенциала для оценки поверхностного дзета-потенциала . [6] Из-за высокой склонности лигноцеллюлозных волокон к набуханию наблюдалась корреляция между зета-потенциалом и способностью поглощать воду. [7] Даже при использовании отходов волокна в качестве армирования в композиционных материалах волокна по размеру проверялись с помощью водного испытательного раствора. [8] Обзор электрокинетических свойств натуральных волокон, включая целлюлозные и лигноцеллюлозные волокна, можно найти в «Справочнике натуральных волокон». [9]
Приложения
[ редактировать ]Композитные материалы
[ редактировать ]| Матрица | Волокно |
|---|---|
| Эпоксидная смола | Абака, бамбук, джут |
| Натуральный каучук | Койра, сизаль |
| Нитриловый каучук | Джут |
| Фенол-формальдегид | Джут |
| полиэтилен | Кенаф, ананас, сизаль, древесное волокно. |
| Полипропилен | Лен, джут, кенаф, солнечная конопля, пшеничная солома, древесное волокно. |
| Полистирол | Древесина |
| Полиуретан | Древесина |
| Поливинилхлорид | Древесина |
| Полиэстер | Банан, джут, ананас, солнечная конопля |
| Бутадиен-стирол | Джут |
| Резина | Масличная пальма |
Композиционные материалы — класс материалов, чаще всего изготавливаемых путем сочетания волокна со связующим материалом (матрицей). Эта комбинация смешивает свойства волокна с матрицей для создания нового материала, который может быть прочнее, чем само волокно. В сочетании с полимерами целлюлозные волокна используются для создания некоторых армированных волокнами материалов, таких как биокомпозиты и армированные волокнами пластики . В таблице представлены различные полимерные матрицы и целлюлозные волокна, с которыми они часто смешиваются. [10]
Поскольку макроскопические характеристики волокон влияют на поведение получаемого композита, особый интерес представляют следующие физико-механические свойства:
- Размеры: Соотношение длины и диаметра волокон является определяющим фактором передачи усилий на матрицу. Кроме того, неправильное поперечное сечение и фибриллированный вид растительных волокон помогает закрепить их в хрупкой матрице.
- Объем пустот и водопоглощение. Волокна довольно пористые, с большим объемом внутренних пустот. В результате, когда волокна погружаются в связующий материал, они поглощают большое количество матрицы. Высокая абсорбция может вызвать усадку волокна и набухание матрицы. Однако большой объем пустот способствует снижению веса, увеличению звукопоглощения и низкой теплопроводности конечного композиционного материала.
- Прочность на разрыв : В среднем аналогична полипропиленовым волокнам. [ нужны разъяснения ]
- Модуль упругости : Целлюлозные волокна имеют низкий модуль упругости. Это определяет его использование в строительных компонентах, работающих на стадии после трещин, с высоким энергопоглощением и устойчивостью к динамическим силам. [ нужны разъяснения ]
Текстиль
[ редактировать ]В текстильной промышленности регенерированная целлюлоза используется в качестве волокон , таких как вискоза (в том числе модал и недавно разработанный лиоцелл ). Целлюлозные волокна производятся из растворимой целлюлозы . [11] Волокна на основе целлюлозы бывают двух типов: регенерированная или чистая целлюлоза, например, полученная медно-аммиачным способом, и модифицированная целлюлоза, такая как ацетаты целлюлозы .
Первое искусственное волокно, коммерчески рекламируемое как искусственный шелк , стало известно как вискоза примерно в 1894 году и, наконец, вискоза в 1924 году. Подобный продукт, известный как ацетат целлюлозы, был открыт в 1865 году. Вискоза и ацетат являются искусственными волокнами, но не полностью синтетическими , поскольку продукт химически переработанного сырья, содержащего натуральную древесину . Они также не являются искусственной конструкцией из шелка, который представляет собой волокнистый полимер животных белков . Хотя эти искусственные волокна были обнаружены в середине девятнадцатого века, их успешное современное производство началось гораздо позже.
Фильтрация
[ редактировать ]Применение целлюлозных волокон для пропитки/фильтрующих добавок может обеспечить защитный слой для фильтрующих элементов в виде порошкообразной целлюлозы, а также способствовать повышению пропускной способности и прозрачности. [ нужна ссылка ] Беззольная и неабразивная фильтрация упрощает очистку после процесса фильтрации без повреждения насосов или клапанов. Они эффективно фильтруют металлические примеси и поглощают до 100% эмульгированного масла и котловых конденсатов. В целом, целлюлозные волокна при фильтрации могут значительно улучшить характеристики фильтрации при использовании в качестве первичного или восстановительного предварительного слоя следующими способами:
- Устранение зазоров в перегородке фильтра и небольших механических утечек в прокладках и седлах лепестков.
- Повышение стабильности фильтрующего кека, чтобы сделать его более устойчивым к ударам давления и перерывам в работе.
- Создание более однородного предварительного слоя без трещин для более эффективной фильтрующей поверхности.
- Улучшение отделения осадка и снижение требований к очистке
- Предотвращение просачивания мелких частиц
- Легкое и быстрое нанесение предварительного покрытия и уменьшение растворимых загрязнений.
Сравнение с другими волокнами
[ редактировать ]По сравнению с инженерными волокнами целлюлозные волокна имеют важные преимущества, такие как низкая плотность, низкая стоимость, возможность вторичной переработки и биоразлагаемость. [12] Благодаря своим преимуществам целлюлозные волокна могут использоваться в качестве заменителя стекловолокна в композиционных материалах.
Экологические проблемы
[ редактировать ]То, что часто продается как «бамбуковое волокно». [ сломанный якорь ] на самом деле это не волокна, которые растут в своей естественной форме из растений бамбука , а тщательно переработанная бамбуковая мякоть, которая экструдируется в виде волокон. [11] Хотя этот процесс не так безвреден для окружающей среды , как кажется «бамбуковое волокно», посадка и сбор бамбука для получения волокна в некоторых случаях может быть более устойчивым и экологически чистым, чем заготовка медленно растущих деревьев и расчистка существующих лесных сред для лесных плантаций.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Целлюлозное волокно» . Бесплатный онлайн-словарь . Проверено 22 октября 2021 г.
- ^ Ардануи, Моника; Кларамунт, Джозеф; Толедо Фильо, Ромильдо Диас (2015). «Композиты на цементной основе, армированные целлюлозным волокном: обзор недавних исследований» . Строительство и строительные материалы . 79 : 115–128. doi : 10.1016/j.conbuildmat.2015.01.035 .
- ^ Целлюлоза: молекулярная и структурная биология: избранные статьи о синтезе, структуре и применении целлюлозы . Браун, Р. Малкольм (Ричард Малкольм), 1939-, Саксена, И.М. (Индер М.). Дордрехт: Спрингер. 2007. ISBN 9781402053801 . OCLC 187314758 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ «Углеводы – Целлюлоза» . Архивировано из оригинала 11 декабря 2018 года . Проверено 10 декабря 2018 г.
- ^ Сюэ, LG; Табил, Л.; Паниграхи, С. (2007). «Химическая обработка натурального волокна для использования в композитах, армированных натуральным волокном: обзор». Журнал полимеров и окружающей среды . 15 (1): 25–33. дои : 10.1007/s10924-006-0042-3 . S2CID 96323385 .
- ^ Мейсон, СГ; Геринг, DAI (1 июня 1950 г.). «Электрокинетические свойства целлюлозных волокон: Ii. Измерения дзета-потенциала методом потокового сжатия» . Канадский журнал исследований . 28б (6): 323–338. дои : 10.1139/cjr50b-040 . ISSN 1923-4287 .
- ^ Бисмарк, Александр; Аранберри-Аскаргорта, Ибон; Спрингер, Юрген; Лампке, Томас; Вилаге, Бернхард; Стамбулис, Артемида; Шендерович, Илья; Лимбах, Ганс-Генрих (2002). «Характеристика поверхности льняных, конопляных и целлюлозных волокон; свойства поверхности и водопоглощение» . Полимерные композиты . 23 (5): 872–894. дои : 10.1002/шт.10485 . ISSN 0272-8397 .
- ^ Потан, Лали А.; Беллман, Корнелия; Кайлас, Лекшми; Томас, Сабу (1 января 2002 г.). «Влияние химической обработки на электрокинетические свойства целлюлозных волокон» . Журнал адгезионной науки и техники . 16 (2): 157–178. дои : 10.1163/156856102317293687 . ISSN 0169-4243 . S2CID 94420824 .
- ^ Люксбахер, Томас (1 января 2020 г.), Козловский, Рышард М.; Мацкевич-Таларчик, Мария (ред.), «9 - Электрокинетические свойства натуральных волокон» , Справочник по натуральным волокнам (второе издание) , Серия книг Текстильного института, Woodhead Publishing, стр. 323–353, doi : 10.1016/b978- 0-12-818782-1.00009-2 , ISBN 978-0-12-818782-1
- ^ Сахеб, Д.Н.; Джог, JP (1999). «Полимерные композиты из натуральных волокон: обзор» . Достижения в области полимерных технологий . 18 (4): 351–363. doi : 10.1002/(SICI)1098-2329(199924)18:4<351::AID-ADV6>3.0.CO;2-X .
- ^ Перейти обратно: а б Флетчер, Кейт (2008). Путешествия по устойчивому дизайну моды и текстиля . Лондон: Earthscan. ISBN 9781849772778 . OCLC 186246363 .
- ^ Моханти, АК; Мисра, М.; Хинриксен, Г. (2000). «Биоволокна, биоразлагаемые полимеры и биокомпозиты: обзор». Макромолекулярные материалы и инженерия . 276–277 (1): 1–24. doi : 10.1002/(SICI)1439-2054(20000301)276:1<1::AID-MAME1>3.0.CO;2-W .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Растворение целлюлозы. Архивировано 3 апреля 2013 г. в Wayback Machine.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
