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 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.
Основные области применения целлюлозных волокон находятся в текстильной промышленности, в качестве химических фильтров и в качестве армирующих волокна композитов [2] из-за их свойств, аналогичных инженерным волокнам, что является еще одним вариантом биокомпозитов и полимерных композитов.
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.
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 быть расщеплена на субъединицы глюкозы никакими ферментами, вырабатываемыми животными.
Натуральные целлюлозные волокна по-прежнему идентифицируются как полученные из исходного растения, поскольку они обрабатываются только в той степени, которая необходима для очистки волокон для использования. [ нужна цитация ] Например, хлопковые волокна выглядят как мягкие пушистые ватные шарики, из которых они происходят. 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 практически не 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.
Произведенные целлюлозные волокна получают из растений, которые перерабатываются в целлюлозу , а затем экструдируются таким же образом, как производятся синтетические волокна, такие как полиэстер или нейлон . Вискоза или вискоза — одно из наиболее распространенных «произведенных» целлюлозных волокон, которые могут быть изготовлены из древесной массы.
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.
Основными компонентами натуральных волокон ( лигноцеллюлозы ) являются целлюлоза, гемицеллюлоза , лигнин , пектин и зола . Процент каждого компонента варьируется для каждого типа волокна, однако, как правило, он 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 поглощение влаги, 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).
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 .
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]
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:
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 переваренного 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.
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 защитного слоя следующим образом:
По сравнению с искусственными 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 стеклянных волокон в композиционных материалах.
То, что часто продается как «бамбуковое волокно», на самом деле не является волокнами, которые растут в своей естественной форме из растений бамбука , а представляет собой тщательно переработанную бамбуковую мякоть, которую экструдируют 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 вырубка медленно растущих деревьев и расчистка существующих лесных сред для лесных плантаций.
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )