Целлюлозные волокна (/ˈsɛljʊloʊs, -loʊz/) — это 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, поскольку их свойства схожи со свойствами конструкционных волокон. Это еще один вариант для биокомпозитов и полимерных композитов.
История
Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном, который выделил ее из растительного материала и определил ее химическую формулу. 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.
Структура целлюлозы
Целлюлоза — это полимер, состоящий из повторяющихся молекул глюкозы, соединенных конец к концу. 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 похожа на стержень. 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.
Типы
Натуральные целлюлозные волокна
Натуральные целлюлозные волокна по-прежнему узнаваемы как часть исходного растения, потому что они обрабатываются только настолько, насколько это необходимо для очистки волокон для использования. Например, хлопковые волокна выглядят как мягкие пушистые ватные шарики, из которых они получены. 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 путем 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 целлюлозные волокна. 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.
Произведенные целлюлозные волокна
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.
Структура и свойства
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.
Химический состав
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; 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).
Механические свойства
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.
Поверхностные и межфазные свойства
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. Из-за высокой склонности лигноцеллюлозных волокон к набуханию наблюдалась корреляция между зета-потенциалом и способностью поглощать воду. Даже при использовании отходов волокна в качестве армирования в композиционных материалах волокна по размеру проверялись с помощью водного испытательного раствора. Обзор электрокинетических свойств натуральных волокон, включая целлюлозные и лигноцеллюлозные волокна, можно найти в «Справочнике натуральных волокон».
Приложения
Композитные материалы
Композитные материалы — это класс материалов, которые чаще всего изготавливаются путем соединения 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.
Поскольку макроскопические характеристики волокон влияют на поведение получаемого композита, особый интерес представляют следующие физико-механические свойства:
Текстиль
В текстильной промышленности регенерированная целлюлоза используется в качестве волокон, таких как вискоза (включая модал и недавно разработанный лиоцелл). Целлюлозные волокна производятся из растворимой целлюлозы. Волокна на основе целлюлозы бывают двух типов: регенерированная или чистая целлюлоза, например, из 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, поскольку являются 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.
Фильтрация
Применение целлюлозных волокон для инфильтрации/фильтрующей помощи может обеспечить защитный слой для фильтрующих элементов в виде порошкообразной целлюлозы, а также способствовать повышению пропускной способности и прозрачности. 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 восстановительного предварительного покрытия следующими способами:
Сравнение с другими волокнами
По сравнению с инженерными волокнами целлюлозные волокна имеют важные преимущества, такие как низкая плотность, низкая стоимость, они могут быть переработаны и биоразлагаемы. Благодаря своим преимуществам целлюлозные волокна могут использоваться в качестве заменителя стеклянных волокон в композитных материалах.
Экологические проблемы
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 вместо этого высокообработанной бамбуковой пульпой, которая экструдируется в виде волокон. Хотя этот процесс не так экологичен, как может показаться с «бамбуковым волокном», посадка и сбор бамбука для волокна в некоторых случаях может быть более устойчивым и экологически чистым, чем сбор медленно растущих деревьев и расчистка существующих лесных мест обитания для лесных плантаций.