Целлюлозное волокно

редактировать

Целлюлозные волокна волокна () - это волокна, изготовленные из простые эфиры или сложные эфиры 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, при этом различное процентное содержание этих компонентов изменяет механические свойства волокон.

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

Содержание

  • 1 История
  • 2 Структура целлюлозы
  • 3 Типы
    • 3.1 Натуральные целлюлозные волокна
    • 3.2 Промышленные волокна целлюлозы
  • 4 Структура и свойства
    • 4.1 Химический состав
    • 4.2 Механические свойства
  • 5 Области применения
    • 5.1 Композиционные материалы
    • 5.2 Текстиль
    • 5.3 Фильтрация
  • 6 Сравнение с другими волокнами
  • 7 Экологические проблемы
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

История

Целлюлоза была открыта в 1838 году французским химиком Ансельмом Пайеном, который выделил ее из растительного вещества 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. Первые коммерческие текстильные применения ацетата в форме волокон были разработаны Celanese Company в 1924 году. Герман Штаудингер определил полимерную структуру целлюлозы в 1920 году. Это соединение было впервые синтезировано химическим путем (без использование любых биологически полученных ферментов) в 1992 году Кобаяши и Шода.

Цепи целлюлозы, связанные водородными связями

Структура целлюлозы

Целлюлоза - это полимер, состоящий из повторяющихся молекул глюкозы, прикрепленных 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 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 быть расщеплена на субъединицы глюкозы никакими ферментами, производимыми животными.

Типы

Натуральные целлюлозные волокна

Натуральные целлюлозные волокна по-прежнему узнаваемы как часть исходного растения, потому что они обрабатываются ровно столько, сколько необходимо для очистки волокон для использования. Например, волокна хлопка выглядят как мягкие пушистые ватные шарики, из которых они сделаны. Льняные волокна выглядят как прочные волокнистые нити растения льна. Все «натуральные» волокна проходят процесс, в котором они отделяются от частей растения, которые не используются для получения конечного продукта, обычно посредством уборки, отделения от половы, очистка 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 волокна целлюлозы. 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

Производимые целлюлозные волокна поступают с заводов, которые перерабатываются в пульпу и затем экструдируются таким же образом, как синтетические волокна, такие как полиэстер или нейлон. Вискоза или вискоза является одним из наиболее распространенных "промышленных" целлюлозных волокон, и его можно производить из древесной массы.

Структура и свойства

Натуральные волокна состоят из микрофибрилл целлюлозы в матрице из гемицеллюлозы и лигнина. Этот тип структуры и их химический состав определяют механические свойства, которые можно наблюдать. Поскольку натуральные волокна образуют 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, не считая гемицеллюлозы и небольшого процента остаточных химических компонентов. Свойства волокна меняются в зависимости от количества каждого компонента, поскольку гемицеллюлоза отвечает за абсорбцию 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 и может измениться, если волокна представляют собой лубяное волокно (полученное из коры), сердцевинное волокно (полученное из древесины) или листовое волокно (полученное из листьев).

Тип волокнаЦеллюлоза (%)Лигнин (%)Гемицеллюлоза (%)Пектин (%)Зола (%)
Лубяное волокноЛьняное волокно712,218,6 - 20,62,3
Семя лен43–4721–2324–265
Кенаф31–5715–1921,5–232–5
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
Сердцевинное волокноКенаф37–4915–2118–242–4
Джут41–4821–2418–220,8
Листовая клетчаткаАбака56–637–915–173
Сизаль47–787–1110–24100,6–1
Henequen77,613,14–8

Механические свойства

Отклик целлюлозного волокна t o механические напряжения изменяются 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.

волокно.Плотность (г / см)Относительное удлинение (%)Предел прочности (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
Койр1,215,0–30,0175–2204,0–6,0
Крафт-бумага из хвойных пород1,5100040,0
Е-стекло2,52,5–3,02000–350070,0
S – g класс2,52,8457086,0
Арамид1,43,3–3,73000–315063,0–67,0
Углерод1,41,4–1,84000230,0–240,0

Области применения

Композитные материалы

МатрицаВолокно
Эпоксидная смола Абака, бамбук, джут
Натуральный каучук Кокос, сизаль
Нитрилкаучук Джут
Джут
Полиэтилен Кенаф, ананас, сизаль, древесное волокно
Полипропилен Лен, джут, кенаф, конопля подсолнечная, солома пшеницы, древесное волокно
Полистирол Дерево
Полиуретан Дерево
Поливинилхлорид Дерево
Полиэстер Банан, джут, ананас, конопля
Стирол-бутадиен Джут
Резина Масличная пальма

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 само волокно. В сочетании с полимерами целлюлозные волокна используются для создания некоторых армированных волокном материалов, таких как биокомпозиты и армированные волокнами пластмассы. В таблице представлены различные полимерные матрицы и целлюлозные волокна, с которыми они часто смешиваются.

Поскольку макроскопические характеристики волокон влияют на поведение получаемого композита, особый интерес представляют следующие физические и 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 поглощают большое количество матрицы. Высокое поглощение может вызвать усадку волокна и набухание матрицы. Однако большой объем пустот способствует снижению веса, повышенному звукопоглощению и низкой теплопроводности конечного композитного материала.
  • Прочность на разрыв : В среднем аналогично полипропиленовым волокнам.
  • Модуль упругости : Целлюлозные волокна имеют низкий модуль упругости. Это определяет его использование в строительных компонентах, работающих на стадии пост-трещин, с высоким поглощением энергии и устойчивостью к динамическим силам.

Текстиль

В текстильной промышленности регенерированная целлюлоза используется как волокна, такие как вискоза (включая модальный и недавно разработанный Lyocell ). Волокна целлюлозы производятся из растворяющейся пульпы. 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, стал известен как вискоза примерно в 1894 году и, наконец, вискоза в 1924 году. Аналогичный продукт, известный как ацетат целлюлозы, был обнаружен в 1865 году. Вискоза и ацетат являются искусственными волокна, но не полностью синтетические, изготавливаемые из древесины. Хотя эти искусственные волокна были обнаружены в середине девятнадцатого века, успешное современное производство началось намного позже.

Фильтрация

Пропитка целлюлозных волокон / вспомогательное фильтрующее средство может обеспечить защитный слой фильтрующим элементам в виде порошковой целлюлозы, помимо повышения производительности и прозрачности. 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 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:

  • Перекрытие зазоров в перегородке фильтра и небольшие механические утечки в прокладках и пластинчатых седлах
  • Повышение стабильности фильтрационной корки, чтобы сделать ее более устойчивой к скачкам давления и прерываниям
  • Создание более однородного предварительного покрытия без трещин для более эффективной площади поверхности фильтрации
  • Улучшение отделения корки и снижение требований к очистке
  • Предотвращение просачивания мелких частиц
  • Простое и быстрое предварительное покрытие и уменьшение растворимого загрязнения

Сравнение с другими волокнами

По сравнению с техническими волокнами, целлюлозными волокнами имеют важные преимущества, такие как низкая плотность, низкая стоимость, возможность вторичной переработки и биоразлагаемость. Благодаря своим преимуществам волокна целлюлозы могут использоваться в качестве заменителя стекловолокон в композитных материалах.

Экологические проблемы

То, что часто называют «бамбуковое волокно», на самом деле не является волокном, которое в своей естественной форме растет из бамбуковых растений., но вместо этого бамбуковая пульпа высокой степени обработки, которая экструдируется в виде волокон. 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 медленнорастущих деревьев и расчистка существующих лесных местообитаний для лесные насаждения.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

.

Последняя правка сделана 2021-05-14 14:02:25
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте