Целлюлозные волокна ( / ˈ s ɛ lj ʊ l oʊ s , - l oʊ z / ) [1] представляют собой волокна, изготовленные из эфиров или сложных эфиров целлюлозы, которые могут быть получены из коры, древесины или листьев растений, или из другого растительного материала. Помимо целлюлозы, волокна могут также содержать гемицеллюлозу и лигнин , причем разное процентное содержание этих компонентов изменяет механические свойства волокон.
Основные области применения целлюлозных волокон – текстильная промышленность, химические фильтры и армирующие композиты [2] из-за их схожих со свойствами конструкционных волокон, что делает их еще одним вариантом для биокомпозитов и полимерных композитов.
Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном , который выделил ее из растительного материала 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 целлюлозный продукт, ацетат, и разработал его в виде пленки. Первое коммерческое текстильное использование ацетата в форме волокна было разработано компанией Celanese Company 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.
Целлюлоза — это полимер, состоящий из повторяющихся молекул глюкозы, соединенных концом к концу. [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 молекулами углеводов заключается в том, как молекулы глюкозы связаны друг с другом. Кроме того, целлюлоза — это полимер с прямой цепью, и каждая молекула целлюлозы длинная и стержнеобразная. Это отличается от крахмала, который представляет собой скрученную молекулу. Результатом этих различий в структуре является то, что по сравнению с крахмалом и другими углеводами целлюлоза не может быть расщеплена на ее субъединицы глюкозы никакими ферментами, вырабатываемыми животными.
Натуральные целлюлозные волокна по-прежнему узнаваемы как часть исходного растения, потому что они обрабатываются только настолько, насколько это необходимо для очистки волокон для использования. [ требуется цитата ] 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, в ходе которого они отделяются от частей растения, которые не используются для конечного продукта, обычно посредством сбора урожая , отделения от мякины , очистки и т. д. Наличие линейных цепей из тысяч единиц глюкозы, связанных вместе, обеспечивает большое количество водородных связей между группами ОН на соседних цепях, заставляя их плотно упаковываться в волокна целлюлозы. В результате целлюлоза проявляет мало взаимодействия с водой или любым другим растворителем. Хлопок и древесина, например, полностью нерастворимы в воде и обладают значительной механической прочностью. Поскольку целлюлоза не имеет спиральной структуры, как амилоза, она не связывается с йодом, образуя окрашенный продукт.
Искусственные целлюлозные волокна получают из растений, которые перерабатываются в пульпу , а затем экструдируются теми же способами, которыми производятся синтетические волокна, такие как полиэстер или нейлон . Вискоза или искусственный шелк — одно из самых распространенных «искусственных» целлюлозных волокон, и его можно изготовить из древесной пульпы.
Натуральные волокна состоят из микрофибрилл целлюлозы в матрице гемицеллюлозы и лигнина. Этот тип структуры и их химический состав отвечает за механические свойства, которые можно наблюдать. Поскольку натуральные волокна создают водородные связи между длинными цепями, они обладают необходимой жесткостью и прочностью.
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, 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 УФ-излучения. 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 напряжения меняется в зависимости от типа волокна и присутствующей химической структуры. Информация об основных механических свойствах представлена в таблице ниже и может быть сравнена 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 потенциала потока для оценки поверхностного дзета-потенциала . [6] Из-за высокой склонности лигноцеллюлозных волокон к набуханию была обнаружена корреляция между дзета-потенциалом и способностью поглощать воду. [7] Даже для использования волокон отходов в качестве армирования в композитных материалах, калиброванные волокна были исследованы водным испытательным раствором. [8] Обзор электрокинетических свойств натуральных волокон, включая целлюлозные и лигноцеллюлозные волокна, можно найти в Handbook of Natural Fibers. [9]
Композитные материалы — это класс материалов, которые чаще всего изготавливаются путем объединения волокна со связующим материалом (матрицей). Эта комбинация смешивает свойства волокна с матрицей, чтобы создать новый материал, который может быть прочнее, чем само волокно. В сочетании с полимерами целлюлозные волокна используются для создания некоторых армированных волокном материалов, таких как биокомпозиты и армированные волокном пластики . В таблице показаны различные полимерные матрицы и целлюлозные волокна, с которыми их часто смешивают. [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 (включая модальный и недавно разработанный лиоцелл ). Целлюлозные волокна производятся из растворимой целлюлозы . [11] Волокна на основе целлюлозы бывают двух типов: регенерированная или чистая целлюлоза, например, полученная в результате медно-аммиачного процесса, и модифицированная целлюлоза, например, ацетаты целлюлозы .
Первое искусственное волокно, коммерчески продвигаемое как искусственный шелк , стало известно как вискоза около 1894 года, и, наконец, как искусственный шелк в 1924 году. Похожий продукт, известный как ацетат целлюлозы, был открыт в 1865 году. Вискоза и ацетат являются искусственными волокнами, но не полностью синтетическими , будучи продуктом химически переваренного сырья, включающего натуральную древесину . Они также не являются искусственной конструкцией шелка, который является волокнистым полимером животных белков . Хотя эти искусственные волокна были открыты в середине девятнадцатого века, успешное современное производство началось гораздо позже.
Применение целлюлозных волокон в качестве инфильтрационных/фильтрующих добавок может обеспечить защитный слой для фильтрующих элементов, как порошковая целлюлоза, а также способствовать повышению пропускной способности и прозрачности. [ требуется ссылка ] Как беззольная и неабразивная фильтрация, делает очистку легкой после процесса фильтрации без повреждения насосов или клапанов. Они эффективно фильтруют металлические примеси и поглощают до 100% эмульгированного масла и конденсата котлов. В целом, целлюлозные волокна в фильтрационных приложениях могут значительно улучшить производительность фильтрации, если используются в качестве первичного или корректирующего предварительного слоя следующими способами:
По сравнению с инженерными волокнами целлюлозные волокна имеют важные преимущества, такие как низкая плотность, низкая стоимость, они могут быть переработаны и биоразлагаемы. [12] Благодаря своим преимуществам целлюлозные волокна могут использоваться в качестве заменителя стеклянных волокон в композитных материалах.
То, что часто продается как «бамбуковое волокно» [ сломанный якорь ], на самом деле не является волокнами, которые растут в своей естественной форме из бамбуковых растений, а представляет собой тщательно переработанную бамбуковую пульпу, которая прессуется в виде волокон. [11] Хотя этот процесс не настолько экологичен, как может показаться на первый взгляд, «бамбуковое волокно», посадка и сбор бамбука для получения волокна в некоторых случаях могут быть более устойчивыми и экологически чистыми, чем вырубка медленно растущих деревьев и расчистка существующих лесных мест обитания для лесных плантаций.
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )