Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с целлюлозного волокна )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Целлюлозные волокна ( / с ɛ LJ ʊ л oʊ с , - л oʊ г / ) [1] представляют собой волокноизготовленное с эфирами или сложными эфирами целлюлозы, которые могут быть получены из коры, дерева или листьев растений, или из других растений материал на основе. Помимо целлюлозы, волокна могут также содержать гемицеллюлозу и лигнин , при этом различное процентное содержание этих компонентов изменяет механические свойства волокон.

Основное применение целлюлозных волокон - это текстильная промышленность, в качестве химических фильтров и в качестве армирующих волокон композитов [2] из-за их свойств, аналогичных свойствам синтетических волокон, что является еще одним вариантом для биокомпозитов и полимерных композитов.

История [ править ]

Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном , который выделил ее из растительного вещества и определил ее химическую формулу. [3] Целлюлоза была использована для производства первого успешного термопластичного полимера, целлулоида, компанией Hyatt Manufacturing Company в 1870 году. Производство 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 целлюлозный продукт, ацетат, и разработал его в виде пленки. Первые коммерческие текстильные варианты использования ацетата в виде волокон были разработаны компанией Celanese в 1924 году. Герман Штаудингер определил полимерную структуру целлюлозы в 1920 году. Это соединение было впервые химически синтезировано (без использования каких-либо биологически полученных ферментов) в 1992 году Кобаяши и Шода.

Цепи целлюлозы, связанные водородными связями

Структура целлюлозы [ править ]

Целлюлоза - это полимер, состоящий из повторяющихся молекул глюкозы, прикрепленных встык. [4] Молекула целлюлозы может иметь длину от нескольких сотен до более 10 000 единиц глюкозы. По форме целлюлоза 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, и каждая молекула целлюлозы длинная и похожа на стержень. Это отличается от крахмала, который представляет собой спиралевидную 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, производимыми животными.

Типы [ править ]

Натуральные целлюлозные волокна [ править ]

Волокна натуральной целлюлозы по-прежнему узнаваемы как часть исходного растения, потому что они обрабатываются ровно настолько, насколько это необходимо для очистки волокон перед использованием. [ необходима цитата ] 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, в ходе которого они отделяются от частей растения, которые не используются для получения конечного продукта, обычно путем сбора урожая , отделения от мякины , очистки.и т. д. Наличие линейных цепей из тысяч единиц глюкозы, связанных вместе, позволяет образовывать большие водородные связи между группами ОН в соседних цепях, заставляя их плотно упаковываться в целлюлозные волокна. В результате целлюлоза слабо взаимодействует с водой или любым другим растворителем. Например, хлопок и дерево полностью 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.

Промышленные целлюлозные волокна [ править ]

Производимые целлюлозные волокна поступают с растений, которые перерабатываются в целлюлозу, а затем экструдируются тем же способом, что и синтетические волокна, такие как полиэстер или нейлон . Вискоза или вискоза являются одними из наиболее распространенных "промышленных" целлюлозных волокон, и они могут быть изготовлены из древесной массы.

Структура и свойства [ править ]

Натуральные волокна состоят из микрофибрилл целлюлозы в матрице из гемицеллюлозы и лигнина. Этот тип структуры и химический состав отвечают за наблюдаемые механические свойства. Поскольку натуральные волокна образуют водородные связи между длинными цепями, они обладают необходимой жесткостью и прочностью.

Химический состав [ править ]

Основными составляющими натуральных волокон ( лигноцеллюлозы ) являются целлюлоза, гемицеллюлоза , лигнин , пектин и зола . Процентное содержание каждого компонента варьируется для каждого типа волокна, однако, как правило, это около 60-80% целлюлозы, 5-20% лигнина и 20% влаги, не считая гемицеллюлозы и небольшого процента остаточных химических компонентов. Свойства волокна меняются в зависимости от количества каждого компонента, поскольку гемицеллюлоза отвечает за поглощение влаги, био- и термическое разложение, тогда как лигнин обеспечивает термическую стабильность, но отвечает за разложение под действием УФ-излучения. Химический состав обычных натуральных волокон показан ниже, [5]и может измениться, если волокна являются лубяными (полученными из коры), сердцевинными волокнами (полученными из древесины) или листовыми волокнами (полученными из листьев).

Тип волокнаЦеллюлоза (%)Лигнин (%)Гемицеллюлоза (%)Пектин (%)Пепел (%)
Лубяная клетчаткаЛьняное волокно712.218,6 - 20,62.3-
Льняное семя43–4721–2324–26-5
Кенаф31–5715–1921,5–23-2–5
Джут45–71,512–2613,6–210,20,5–2
Конопля57–773,7–1314–22,40,90,8
Рами68,6–910,6–0,75–16,71.9-
Сердцевина волокнаКенаф37–4915–2118–24-2–4
Джут41–4821–2418–22-0,8
Листовое волокноАбака56–637–915–17-3
Сизаль47–787–1110–24100,6–1
Henequen77,613,14–8--

Механические свойства [ править ]

Реакция целлюлозного волокна на механические нагрузки меняется в зависимости от типа волокна и присутствующей химической структуры. Информация об основных механических свойствах представлена ​​в таблице ниже, и ее можно сравнить со свойствами обычно используемых волокон, таких как стекловолокно , арамидное волокно и углеродное волокно .

ВолокноПлотность (г / см 3 )Удлинение (%)Прочность на разрыв (МПа)Модуль Юнга (ГПа)
Хлопок1,5–1,63,0–10,0287–5975,5–12,6
Джут1,3–1,461,5–1,8393–80010–30
Лен1,4–1,51,2–3,2345–150027,6–80
Конопля1,481.6550–90070
Рами1.52,0–3,8220–93844–128
Сизаль1,33–1,52,0–14400–7009,0–38,0
Кокосовое волокно1.215,0–30,0175–2204,0–6,0
Крафт-бумага из хвойных пород1.5-100040,0
E – стекло2,52,5–3,02000–350070,0
S – стекло2,52,8457086,0
Арамид1.43,3–3,73000–315063,0–67,0
Углерод1.41,4–1,84000230,0–240,0

Приложения [ править ]

Композитные материалы [ править ]

МатрицаВолокно
Эпоксидная смолаАбака, бамбук, джут
Натуральная резинаКойр, сизаль
Нитриловый каучукДжут
ФенолформальдегидДжут
ПолиэтиленКенаф, ананас, сизаль, древесное волокно
ПолипропиленЛен, джут, кенаф, конопля, пшеничная солома, древесное волокно
ПолистиролДерево
ПолиуретанДерево
Поливинил хлоридДерево
ПолиэстерБанан, джут, ананас, конопля
Стирол-бутадиенДжут
РезинкаПальмовое масло

Композиционные материалы - это класс материалов, которые чаще всего изготавливаются путем комбинации волокна со связующим материалом (матрицей). Эта комбинация смешивает свойства волокна с матрицей, чтобы создать новый материал, который может быть прочнее, чем одно волокно. В сочетании с полимерами целлюлозные волокна используются для создания некоторых армированных волокном материалов, таких как биокомпозиты и армированные волокном пластмассы . В таблице представлены различные полимерные матрицы и целлюлозные волокна, с которыми они часто смешиваются. [6]

Поскольку макроскопические характеристики волокон влияют на поведение получаемого композита, особый интерес представляют следующие физико-механические свойства:

  • Размеры: соотношение между длиной и диаметром волокон является определяющим фактором в передаче 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 погружены в связующий материал, они впитывают большое количество матрицы. Высокая абсорбция может вызвать усадку волокна и набухание матрицы. Однако большой объем пустот способствует уменьшению веса, увеличению звукопоглощения и низкой теплопроводности конечного композитного материала.
  • Прочность на разрыв : в среднем аналогична волокнам полипропилена. [ требуется разъяснение ]
  • Модуль упругости : целлюлозные волокна имеют низкий модуль упругости. Это определяет его использование в строительных компонентах, работающих в стадии пост-трещин, с высоким поглощением энергии и устойчивостью к динамическим силам. [ требуется разъяснение ]

Текстиль [ править ]

В текстильной промышленности регенерированная целлюлоза используется в качестве волокон, таких как вискоза (включая модал и недавно разработанный лиоцелл ). Волокна целлюлозы производятся из растворяющейся целлюлозы . [7] Волокна на основе целлюлозы бывают двух типов: регенерированная или чистая целлюлоза, полученная в результате медноаммониевого процесса, и модифицированная целлюлоза, такая как ацетаты целлюлозы .

Первое искусственное волокно, известное как искусственный шелк , стало известно как вискоза примерно в 1894 году, и, наконец, вискоза в 1924 году. Аналогичный продукт, известный как ацетат целлюлозы, был открыт в 1865 году. Вискоза и ацетат являются искусственными волокнами, но не полностью синтетическими. из дерева . Хотя эти искусственные волокна были открыты в середине девятнадцатого века, успешное современное производство началось намного позже.

Фильтрация [ править ]

Пропитка целлюлозных волокон / вспомогательные фильтрующие средства могут обеспечить защитный слой фильтрующим элементам в виде порошковой целлюлозы, помимо повышения пропускной способности и прозрачности. [ необходима цитата ] Благодаря беззольной и неабразивной фильтрации, очистка после процесса фильтрации не требует усилий, без повреждения насосов или клапанов. Они эффективно фильтруют металлические примеси и поглощают до 100% эмульгированного масла и котельного конденсата. В целом, целлюлозные волокна в системах фильтрации могут значительно улучшить фильтрующие характеристики при использовании в качестве первичного или восстановительного предварительного покрытия следующими способами:

  • Устранение зазоров в перегородке фильтра и небольших механических утечек в прокладках и седлах створок
  • Повышение стабильности фильтрационной корки, чтобы сделать ее более устойчивой к ударам давления и прерываниям
  • Создание более однородного предварительного покрытия без трещин для более эффективной фильтрации поверхности.
  • Улучшение отделения кека и снижение требований к очистке
  • Предотвращение просачивания мелких частиц
  • Легкое и быстрое предварительное нанесение покрытия и уменьшение растворимых загрязнений

Сравнение с другими волокнами [ править ]

По сравнению с искусственными волокнами целлюлозные волокна обладают важными преимуществами, такими как низкая плотность, низкая стоимость, они могут быть переработаны и биоразлагаемы. [8] Благодаря своим преимуществам волокна целлюлозы могут использоваться в качестве заместителя стекловолокон в композитных материалах.

Экологические проблемы [ править ]

То, что часто продается как «бамбуковое волокно», на самом деле не является волокном, которое в своей естественной форме вырастает из бамбуковых растений, а, вместо этого, бамбуковая пульпа, прошедшая тщательную обработку, которая экструдируется в виде волокон. [7] 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 безопасным, чем сбор медленно растущих деревьев и расчистка существующих лесных местообитаний для лесных плантаций.

См. Также [ править ]

  • Модификация волокна

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Целлюлозное волокно - определение целлюлозного волокна в бесплатном онлайн-словаре» . Бесплатный онлайн-словарь . Проверено 7 декабря 2014 года .
  2. ^ Ardanuy, Моника; Кларамунт, Хосеп; Толедо Филью, Ромильдо Диас (2015). «Композиты на основе цемента, армированные целлюлозным волокном: обзор последних исследований» . Строительные и строительные материалы . 79 : 115–128. DOI : 10.1016 / j.conbuildmat.2015.01.035 .
  3. ^ Целлюлоза: молекулярная и структурная биология: избранные статьи по синтезу, структуре и применению целлюлозы . Браун, Р. Малькольм (Richard Malcolm), 1939-, Саксена, И.М. (Индер М.). Дордрехт: Спрингер. 2007. ISBN 9781402053801. OCLC  187314758 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  4. ^ http://chemistry.elmhurst.edu/vchembook/547cellulose.html
  5. ^ 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. DOI : 10.1007 / s10924-006-0042-3 .
  6. ^ Сахеб, DN; Джог, JP (1999). «Полимерные композиты из натуральных волокон: обзор». Достижения в полимерной технологии . 18 (4): 351–363. DOI : 10.1002 / (SICI) 1098-2329 (199924) 18: 4 <351 :: AID-ADV6> 3.0.CO; 2-X .
  7. ^ a b 1971-, Флетчер, Кейт (2008). Путешествие по устойчивой моде и дизайну текстиля . Лондон: Earthscan. ISBN 9781849772778. OCLC  186246363 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Моханти, AK; Misra, M .; Хинрихсен, Г. (2000). «Биофибры, 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 [ править ]

  • Растворение целлюлозы