Что значит вторичная целлюлоза

Целлюлоза (от лат. cellula — «клетка») – клетчатка, являющаяся основным строительным материалом в растительном мире. Она содержится в тканях деревьев и растений, получают ее, в основном, из хлопка и из древесины. Самая чистая целлюлоза получается из семян хлопчатника.

Процесс получения целлюлозы

От хлопкового семени отделяют длинные волокна, из которых затем изготавливают хлопчатобумажные ткани. Оставшиеся короткие волокна – хлопковый пух, нагревают, промывают, отбеливают, высушивают и получают 99% чистую целлюлозу.

Из древесины хвойных деревьев изготавливают 97% целлюлозу. Ее варят, добавляют диоксид серы и бисульфит кальция, промывают, отбеливают и получается рыхлая бумага. Из нее делают вискозное волокно и целлофан.

Для чего нужна целлюлоза?

Читайте также: Поядающий это что значит

Целлюлоза используется во многих отраслях промышленности. Из хлопка шьют одежду. Получают взрывчатое вещество пироксилин путем проведения химической реакции с азотной и серной кислотой. Целлюлозу также используют в питании – она присутствует в сельдерее, салатах, отрубях. Из целлюлозы изготавливают бумагу. Кроме того, из целлюлозы делают добавку к лакам, пластические материалы.

Целлюлозное волокно имеет универсальные свойства и его используют в качестве наполнителя, загустителя, стабилизатора, как абразивный материал, абсорбер.

Вторичное целлюлозное волокно

Целлюлозные волокна подразделяются на первичные и вторичные. Первичные целлюлозные волокна получают из древесины. Из них производят различные сорта бумаги, картона. Использованную бумагу применяют в качестве сырья для производства вторичного целлюлозного волокна (макулатурного). Его получают путем сухого роспуска различных сортов макулатуры. Вторичные целлюлозные волокна имеют такие же свойства, как и первичные. Они не растворяются в воде, щелочах и кислотах. Хорошо впитывают и удерживают влагу, устойчивы к высоким температурам до 220°C, не токсичны.

Макулатурные волокна можно использовать в качестве водоудерживающей добавки, загустителя, абсорбента и наполнителя во многих отраслях и производствах:

• В дорожном строительстве для производства стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетонного покрытия
• В изготовлении строительных смесей целлюлозное волокно используется в качестве дисперсноармирующей добавки
• Для изготовления фрикционных накладок в автомобилестроении
• Для производства туалетной бумаги, картона, бумажной посуды, тары и упаковки, бугорчатых прокладок для яиц
• Из макулатурного волокна изготавливают целлюлозный утеплитель – эковата
• Получаемый из вторичного волокна сорбент нефтепродуктов превышает в несколько раз возможности других сорбентов, к тому же он безвреден для окружающей среды
• Для изготовления целлюлозной мульчи для гидропосева – экологически чистого укрывного материала для почвы и растений.

Источник

Целлюлоза: что такое, формула, получение, химические свойства

Содержание:

Целлюлоза, или клетчатка – это полисахарид, содержащийся в клеточных стенках растений. Ею богаты волокна хлопка, льна, конопли и др. Её содержание в растениях может достигать 95 % от общей массы. Например, древесина на 50 % состоит из клетчатки.

Строение целлюлозы

Молекулярная формула целлюлозы идентична формуле крахмала: (С₆Н₁₀О₅)n, где n – степень полимеризации. Степень полимеризации у целлюлозы больше по сравнению с крахмалом. Макромолекула целлюлозы состоит из множества мономеров – остатков молекул β-глюкозы, а макромолекула крахмала – из α-глюкозы. Крахмал и целлюлоза – циклические соединения.

Структурные формулы целлюлозы и крахмала выглядят следующим образом:

Характеристика	Крахмал	Целлюлоза
Остатки моносахаридов	α–глюкоза	β-глюкоза
Количество мономеров	Несколько тысяч	До 40 тысяч
Структура макромолекул	Свернуты компактно. Могут быть как разветвленными, так и неразветвленными	Имеют вид нитей. Могут быть только неразветвленными
Характер межмолекулярных взаимодействий	Водородные связи не образуются	Образуются прочные водородные связи

Получение целлюлозы Клетчатку, как правило, синтезируют из древесины. В России популярен сульфитный метод синтеза целлюлозы.

Измельченную древесину помещают в гидросульфит кальция Ca(HSO₃)₂ или натрия NaHSO₃.

Полученную смесь нагревают в автоклавах при давлении 0,5-0,6 Мпа и температуре 150˚С.

Таким образом, синтезируется практически 100%-ная целлюлоза. С целью дальнейшего использования она промывается, сушится и обрабатывается.

В смеси технической целлюлозы, которая формируется после варки, также находятся лигнин и гемицеллюлоза. Если необходимо получить искусственные волокна, то целлюлозу облагораживают, т.е. обрабатывают щелочью для устранения гемицеллюлоз.

Чтобы удалить лигнин и придать целлюлозе белоснежный цвет, нужно провести отбелку. Например, хлорная отбелка состоит из двух стадий обработки:

хлором (разрушают лигнин);
щелочью (экстракция продуктов разрушения).

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Единственное вещество, в котором растворяется клетчатка – аммиачный раствор гидроксида меди (II).

Химические свойства целлюлозы

В результате образуется глюкоза.

Реакция целлюлозы и азотной кислоты протекает при участии концентрированной серной кислоты. В результате формируются сложные эфиры.

Также целлюлоза реагирует с уксусным ангидридом при участии уксусной и серной кислот.

Целлюлоза в биологии

Целлюлоза в организме выполняет ряд функций:

Строительная (клеточная стенка растений).
Защитная (формирование на растениях шипов и колючек).
Пластическая (углеводы входят в состав молекулярных структур) и др.

Если в пище содержится клетчатка, то у человека быстрее наступает чувство сытости. Целлюлоза улучшает перистальтику кишечника.

Применение целлюлозы

Например, ацетатный шелк, негорючую пленку и органическое стекло производят из ацетилцеллюлозы. При производстве шелка ацетилцеллюлозу помещают в дихлорметан и этанол. Получившуюся смесь пропускают через колпачки с большим количеством отверстий. Порции раствора прогревают через нагретый воздух. Растворитель растворяется и триацетилцеллюлоза образует тонкие нити.

Тринитроцеллюлоза применяется как взрывчатка и как сырье для производства бездымного пороха. Ее растворяют в этилацетате или ацетоне. Полученную смесь измельчают и получают бездымный порох.

Динитроцеллюлозу применяют при производстве коллодия. Для получения коллодия динитроцеллюлозу растворяют в спирте и эфире. После испарения растворителей образуется толстая пленка – коллодий, который применяется в медицине. Динитроцеллюлоза также идет на производство целлулоида, который синтезируют путем ее сплавления с камфорой.

Источник

ГК «Униконс»

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

«АльтерСтарт»

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

Целлюлоза и ее производные

В группу пищевых добавок целлюлозной природы входят продукты механической и химической модификации и деполимеризации натуральной целлюлозы. Целлюлоза представляет собой линейный полимер, который построен из звеньев D-глюкозы, соединенных 1,4-?-гликозидными связями.

Наличие ?-гликозидной связи приводит на уровне вторичных и третичных структур (конформации полимерных цепей, упаковки цепей в фибриллы) к формированию линейных молекул с зонами кристалличности (высокоориентированными участками), включающими отдельные аморфные (неориентированные) участки. Такое строение обусловливает большую механическую прочность волокон целлюлозы и их инертность по отношению к большинству растворителей и реагентов.

Целлюлоза в качестве пищевой добавки используется в двух модификациях:

микрокристаллическая целлюлоза (E460i), частично гидролизованная кислотой по аморфным участкам, наиболее доступным для атаки реагентами, и затем измельченная; отличается укороченными молекулами;
порошкообразная целлюлоза (E460ii), выделенная из растительного сырья (древесина, хлопок и т. п.) удалением сопутствующих веществ (гемицеллюлоз и лигнина), а затем измельченная.

Целлюлоза в качестве пищевой добавки используется как эмульгатор, текстуратор и как добавка, препятствующая слеживанию и комкованию.

Химическая модификация молекул целлюлозы приводит к изменению свойств и, как следствие, к изменению функций в пищевых системах.

В образовании производных целлюлозы большую роль играют доступность и реакционная способность гидроксильных групп в ?-,D-глюкопиранозных остатках. По реакционной способности гид-роксильные группы располагаются в последовательности ОН при С₆ > ОН при С₂ > ОН при С₃.

Статус пищевых добавок имеют семь химических модификаций целлюлозы, представляющих собой моно- или дипроизводные с простой эфирной связью (простые эфиры). В общем виде модифицированные целлюлозы могут быть описаны следующей формулой:

Пищевые добавки целлюлозной Природы безвредны, так как не подвергаются в желудочно-кишечном тракте деструкции и выделяются без изменений. Дневной суммарный прием с пищей всех производных целлюлозы может составлять 0—25 мг/кг массы тела человека. Их дозировки в пищевых продуктах определяются конкретными технологическими задачами.

Метилцеллюлоза (Е461)и гидроксипропилметилцеллюлоза (Е464).

Растворяются в холодной воде (но не растворяются в горячей) с образованием вязких растворов. Вязкость растворов этих производных целлюлозы, зависящая от их концентрации и практически не зависящая от рН в диапазоне 2—13, снижается с повышением температуры до момента гелеобразования, которое наступает в интервале температур 50—90°С. По достижении температурной точки гелеобразования вязкость растворов начинает резко повышаться до температуры флокуляции (коагуляции с образованием рыхлых хлопьевидных агрегатов). Процесс обратим, т. е. при снижении температуры может быть получен исходный раствор, что обусловлено обратимостью процесса образования и разрыва водородных связей между полимерными молекулами эфиров целлюлозы и молекулами воды.

Гидроксипропилцеллюлоза (Е463).

Растворяется в воде при температуре, не превышающей 40°С. Ее растворимость повышается в присутствии сахарозы. Вязкость растворов, которая не зависит от рН в интервале 2—11, снижается с повышением температуры до момента флокуляции, наступающего, минуя стадию гелеобразования, в интервале 40—45°С. Процесс обратим, и со снижением температуры будет

происходить повторное растворение этого эфира целлюлозы в воде. Водные растворы гидроксипропилцеллюлозы проявляют поверхностную активность, действуя в дисперсных пищевых системах как эмульгатор. Растворы этого производного целлюлозы совместимы с большинством натуральных и синтетических водорастворимых полимеров — метилцеллюлозой, карбоксиметилцеллюлозой, желатином, альгинатами и др., что создает возможность их совместного использования для достижения конкретных технологических эффектов: для получения заданной величины вязкости, гелеобразования, формиро- вания необходимой текстуры.

Карбоксиметилцеллюлоза (Е466).

Растворяется и в горячей, и в холодной воде с образованием растворов различной вязкости, которая зависит от степени замещения гидроксильных групп в молекуле целлюлозы. Для пищевых целей обычно применяют карбоксиметилцел-люлозу (КМЦ) со степенью замещения 0,65—0,95, образующую растворы высокой и средней вязкости. Как и в случае других производных, вязкость растворов КМЦ уменьшается с повышением температуры, однако в отличие от них в растворах этой добавки гелеобразования или флокуляции не происходит Другая отличительная особенность — зависимость вязкости растворов КМЦ от рН. В интервале 5—9 она практически не зависит от рН, при рН ниже 3 может возрастать, а при рН выше 10 может уменьшаться. Смеси карбок-симетилцеллюлозы и гидроксипропилцеллюлозы обладают синерги-ческим эффектом, который проявляется в повышении вязкости их раствора по сравнению с вязкостью растворов индивидуальных добавок.

Модифицированные целлюлозы и их технологические функции

Источник

Целлюлозные и лигноцеллюлозные наполнители древесно-полимерных композитов

Для древесно-полимерных композитов (ДПК) древесина — это волокнистый материал растительного происхождения. Это может быть древесная мука или опилки или сельскохозяйственные растительные остатки, обычно резаные, измельченные или дробленые, или другие виды натурального волокна типа пеньки, джута и кенафа, обычно как побочного продукта соответствующего промышленного процесса.

Все наполнители на основе целлюлозы для ДПК типа древесной муки, опилок и рисовой шелухи являются натуральными материалами, содержащими целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

Эти компоненты имеют практически неустранимое воздействие на переработку и свойства конечного композитного продукта. Если кратко, целлюлоза позитивно влияет на механические и другие свойства композитного материала (например, на снижение коэффициента термического расширения–сжатия и т. д.); лигнин вообще делает продукт менее прочным, легкогорючим в процессе переработки, и образует CO₂ и другие газообразные продукты, приводя к уменьшению плотности продукта, и сильно ускоряет выцветание ДПК после выдержки на открытом воздухе. Древесные экстракты (терпены, пенены, танины, карбонильные соединения и т. д.) образуют летучие органические соединения (ЛОС), также приводящие к снижению плотности продукта. Гемицеллюлоза легко разлагается при температурах полимерного расплава, особенно при резком изменении давления, и образует уксусную кислоту, вызывая ощутимую коррозию оборудования.

Это влияние особенно явно проявляется при некотором содержании влаги в лигноцеллюлозном материале и называется «паровым взрывом» лигноцеллюлозы.

Чистое целлюлозное волокно имеет относительно низкую плотность, 1,0–1,1 г/см 3 . Однако при пропитке лигнином и гемицеллюлозой его плотность, например, в древесной муке или рисовой шелухе, достигает 1,3–1,5 г/см 3 . При превращении в золу при 525 °C в остатке древесной муки содержится 0,13–0,40% золы, а в рисовой шелухе — 18,8% золы. Это объясняется тем, что рис экстрагирует много окиси кремния с водой из почвы через капиллярную систему. При накапливании, особенно в летнее время, содержание влаги в древесной муке и рисовой шелухе может достигать 10%. При прямом контакте с водой содержание влаги в целлюлозе может легко превысить ее собственный вес.

Размеры пор в целлюлозном волокне — примерно 10 нм (0,01 мкм). Только самые маленькие цепи ПЭВП с молекулярной массой менее 10 000 могут заходить в поры целлюлозы. Диаметры волокна целлюлозы — обычно между 3 и 5 мкм.

Общие свойства лигноцеллюлозного волокна в качестве наполнителя

Химический состав

Тремя основными компонентами растительных материалов являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлоза. Целлюлоза и гемицеллюлоза — это полисахариды. Целлюлоза — это высоко регулярная структура, кристаллический полимер, состоящий из тысяч радикалов глюкозы, ковалентно соединенных «голова–к–хвосту».

Гемицеллюлозы образуют значительно более короткие разветвленные цепи, состоящие из колец сахарозы из пяти и шести атомов углерода. Эти цепи играют роль аморфных мягких наполнителей, обволакивающих целлюлозные участки. «Гемицеллюлозы» — это собирательный термин для очень многих структур гетерополисахаридов растительного происхождения, образующих стенки растительных клеток вместе с целлюлозой.

Лигнин — это аморфная затвердевшая смола на основе фенолпропана, заполняющая пространство между волокнами полисахарида. Лигнин не только «бетон», но также и разработанная на высоком уровне химическая структура.

Помимо этих трех основных компонентов, материалы растительного происхождения содержат неструктурные компоненты — экстракты (обычно 4–10%), неорганическую золу (от 0,2 до 0,5% в древесине и до 19% в шелухе риса и некоторых других растительных материалах) и воду. Примерами экстрактов являются терпены, пинены, танины, карбонильные соединения и так далее. Они вносят свой вклад в запах дерева, могут диффундировать к поверхности дерева при сушке и могут влиять на адгезию, а некоторые из них обладают антибактериальными свойствами.

Термин «лигноцеллюлоза», часто используемый для описания растительных материалов, не описывает должным образом ее основные составляющие. Помимо целлюлозы и лигнина, третьим основным компонентом, как показано выше, является гемицеллюлоза или, правильнее, гемицеллюлозы. Множественная форма здесь отражает ряд различных гетерополимерных сахаридов, так называемых матричных растительных полисахаридов. Эти гемицеллюлозы главным образом образуют аморфные трехмерные структуры, окружающие волокна целлюлозы. Гемицеллюлозы включают ксиланы, арабиноксиланы, глюкуроноксиланы, глюкоманнаны, галактоманны, ксилоклюканы и т. д.

Лигноцеллюлоза была, вероятно, выбрана в качестве отдельного термина, потому что она представляет комбинацию структурных компонентов, которые упрочняют клетки растений в древесных материалах.

Лигнин является высокомолекулярным материалом, сшитой, высокоароматической структурой. Лигнин, как полагают, в значительной степени отвечает за прочность и долговечность древесины. Фактически деревья стоят вертикально из-за того, что лигнин поддерживает их целостность. Кроме того, лигнин значительно уменьшает доступность древесины для целлюлозных микробов. Лигнин может быть определен как остаток после того, как растительный материал гидролизируется сильными кислотами. Лигнин можно рассматривать как одну громадную полимерную молекулу, пронизывающую древесную матрицу. То же относится к гемицеллюлозе и, с некоторой оговоркой, к целлюлозе, которая имеет регулярную структуру, в отличие от лигнина и гемицеллюлозы.

Обычно растительные материалы, включая древесину, содержат от одной трети до половины целлюлозы, одну треть или менее лигнина и одну треть или менее гемицеллюлозы по массе. В древесине, например, содержится 40–45% целлюлозы и 25–35% гемицеллюлозы. По некоторым данным, осина содержит 18,2%, клен — 22,5% и ель — 27,6% лигнина, хотя такие точные цифры сомнительны; кроме того, они меняются в зависимости от возраста дерева. Лигнин в значительной степени удаляется из древесины в процессе химической варки целлюлозы; следовательно, отстой бумажного производства обычно содержит только немного лигнина, часто от 1 до 5%.

Как правило, древесина начинает подвергаться некоторой дегидратации при температуре ниже или равной температуре плавления ПЭ, 110–130 °C. Это сопровождается снижением степени полимеризации всех трех основных компонентов растительных материалов, процесс ускоряется в присутствии влаги. Лигнин начинает термически разлагаться примерно при 150 °C, а гемицеллюлоза начинает разлагаться примерно при 160 °C. Во всех этих процессах выделяются летучие вещества, которые повышают пористость и уменьшают плотность конечного композиционного материала, если не используются вентилируемые (с отводом газа) экструдеры.

Вредное влияние лигнина

Лигнин — фоточувствительный материал, и его деструкция под воздействием УФ света, как полагают, в значительной степени определяет обесцвечивание дерева и материалов из ДПК. Под действием УФ света лигнин становится из материала коричневатого цвета серым.

Лигнин обычно делает продукт менее прочным, потому что легко горит в процессе переработки и выделяет CO₂, приводя к уменьшению плотности продукта, и сильно ускоряет выцветание ДПК после выдержки на улице.

Вредное воздействие гемицеллюлозы: паровой взрыв

Как и лигнин, гемицеллюлозы легко горят в процессе переработки, хотя они выделяют в основном ЛОС, приводя к более низкой плотности ДПК продукта. Однако это не единственная проблема, связанная с влиянием на гемицеллюлозу высокого давления и температуры. При переработке расплава в экструдере при высоком давлении влага в частицах древесины не кипит даже при высоких температурах.

Например, при 1000 psi в экструдере вода кипит только при 286 °C. При 2000 psi вода кипит при 336 °C. Другими словами, при нормальных температурах экструзии при высоком давлении вода является жидкостью и не кипит. Однако когда материал проходит зоны, где давление резко падает, вода внезапно и бурно закипает, образуя пар.

Этот эффект моментальной декомпрессии и крутого кипения по всему объему влажных частиц древесины вызывает так называемый паровой взрыв, в результате чего многие связи лигнин–гемицеллюлоза разрываются; фрагменты гемицеллюлозы распадаются в воде, захваченные матрицей, и немедленно разлагаются, образуя с большинством их ацетилированных остатков уксусную кислоту. При высокой температуре в экструдере даже небольшие количества уксусной кислоты очень реакционноспособны и приводят к постепенной коррозии оборудования.

Коэффициент формы

Коэффициент формы в этом контексте — это отношение длины волокна к его толщине. Для древесной муки это отношение составляет часто около 3:1–4:1.

Обычно длинные волокна, ориентируемые вдоль потока, дают композиционный материал с повышенными механическими свойствами по сравнению с композиционным материалом, наполненным коротким волокном. Другими словами, более высокий коэффициент формы приводит к лучшим свойствам при изгибе. В результате в ДПК целлюлозное волокно является основным воспринимающим нагрузку компонентом, и чем больше волокон ориентируются вдоль течения, тем выше свойства при изгибе материала.

Если более конкретно, то некоторые ДПК были получены с использованием древесной муки, полученной из сосны, со средним коэффициентом формы 4,0; из тамариска со средним коэффициентом формы 3,2; из можжевельника со средним коэффициентом формы 4,4. Древесное волокно обычно имеет более высокий коэффициент формы — 10:1–25:1. Например, многие древесные волокна имеют длину 3 мм и ширину 0,2 мм (коэффициент формы 15) или длину 10 мм и ширину 0,4 мм (коэффициент формы 25).

Промышленные древесные волокна из осины, березы, клена и ели обычно имеют длину 0,4–3,5 мм, то есть 400–3500 мкм (самые длинные у ели) и ширину 50–27 мкм. Средние значения коэффициента формы для волокон этих видов — 35 (клен), 60 (осина), 100 (береза) и 130 (ель).

Процессы экструзии приводят к уменьшению коэффициента формы целлюлозного волокна, то есть снижению их длины при той же толщине волокна. Например, переработка волокна отбеленной сульфатной целлюлозы вместе с полипропиленом в двухшнековом экструдере с односторонним вращением шнеков при 100 и 300 оборотах в минуту привела к уменьшению длины волокна, фракция самых мелких частиц (около 50 мкм длиной) увеличилась с 3 до 5%. Фракция с длиной 100 мкм, то есть самая многочисленная фракция, составляющая около 12% от всех частиц после экструзии при 100 об./мин., достигла 16% от общего количества частиц после экструзии при 300 об./мин. После повторной экструзии при 300 оборотах в минуту эта фракция длиной 100 мкм увеличилась с 16 до 26% от общего количества.

Плотность (удельный вес)

Удельный вес лигнифицированного целлюлозного волокна (древесная мука, древесные опилки и рисовая шелуха) в ДПК обычно от 1,3 до 1,5 г/см 3 . Лигноцеллюлозная матрица рисовой шелухи в материалах ДПК имеет примерно ту же плотность, что и древесная мука, и равна около 1,35 г/см 3 и 1,30–1,35 г/см 3 соответственно. Однако, поскольку рисовая шелуха содержит 19% силикатов (удельный вес около 2,8 г/см 3 ), конечный удельный вес рисовой шелухи как наполнителя около 1,50 г/см 3 .

Длинные целлюлозные волокна типа льна, пакли, джута, рами, кокосового волокна, сизали и хлопка, в материалах ДПК также имеют плотность в интервале 1,3–1,5 г/см 3 .

Плотность (удельный вес) ДПК не зависит от размера частиц древесной муки.

Вероятно, что при компаундировании и экструзии целлюлозное волокно сжимается до максимальной плотности 1,3–1,5 г/см 3 .

Простая формула для расчета удельного веса композиционного материала следующая. Если мы возьмем 100 г композиционного материала, содержащего, скажем, 50 %масс. ПЭВП (d = 0,96 г/см 3 ), 30% древесной муки (d = 1,30 г/см 3 ) и 20% талька (d = 2,8 г/см 3 ), каждый из этих компонентов займет следующий объем:

ПЭВП 50 г/0,96 г/см 3 = 52,083 см 3 ;

древесная мука 30 г/1,30 г/см 3 = 23,077 см 3 ;

тальк 20 г/2,8 г/см 3 = 7,143 см 3 .

Следовательно, общий объем 100 г композиции будет 82,303 см 3 . Поэтому плотность композиции составит 100 г/82,303 см 3 = 1,215 г/см 3 .

Для наполненного на 85% древесной мукой полипропилена расчеты плотности (удельного веса) были бы следующими:

ПП 15 г/0,91 г/см 3 = 16,484 см 3 ;

древесная мука 85 г/1,30 г/см 3 = 65,385 см 3 .

Общий объем композиции будет 81,869 см 3 . Следовательно, плотность композиции — 100 г/81,869 см 3 = 1,22 г/см 3 .

Если плотность древесной муки 1,35 г/см 3 , два приведенных выше значения становятся равными 1,23 г/см 3 (композит на основе ПЭВП) и 1,26 г/см 3 (композит на основе ПП). Опубликованное значение для плотности наполненного 85% древесной муки полипропилена — 1,26 г/см 3 , то есть равно последнему значению.

Размер частиц

Существует две различные системы оценки размера частиц древесных и натуральных волокон — либо как эффективный «размер частиц», часто измеряемый как размер в меш, либо как длина волокна, особенно в случае частиц/волокон с высоким коэффициентом формы. Как правило, размер частиц наполнителей (включая целлюлозу) для ДПК подбирается путем просеивания, причем находится в интервале между 40 и 80 меш (около 0,35 и 0,18 мм). Частицы больше 40 меш считают как «надситный материал» и меньше 80 меш рассматривают как «мелочь». Мелочь в древесной муке может быть размером от 10 до 100 мкм. Длина целлюлозных волокон, используемых в качестве наполнителя, часто находится в диапазоне 20–300 мкм (0,02–0,3 мм).

Форма частиц

Частицы целлюлозы, используемые в ДПК, — это обычно волокна с коэффициентом формы между 3 и 4 или более, особенно в случае длинных целлюлозных волокон. Частицы древесной муки твердых пород дерева обычно являются цилиндрическими, тогда как частицы древесной муки мягких пород дерева обычно фрагментированы (разбиты на куски).

Распределение частиц по размерам

Для сосны, тамариска и можжевельника с коэффициентом формы 4,0, 3,2 и 4,4 анализ изображений при использовании более 500 частиц в образце показал следующее распределение частиц по размеру (на основе площади, в квадратных микронах): небольшие (примерно 0,1×0,5 мм) — 15–23%; средние (примерно 0,2×0,8 мм): общее количество средних частиц 52–63%; большие (около 0,3×1,2 мм), общее количество больших частиц 15–19%.

Площадь поверхности частиц

Удельная поверхность целлюлозного волокна небольшая по сравнению с удельной поверхностью тонкодисперсных минеральных наполнителей. Хотя величина удельной поверхности последних часто исчисляется многими квадратными метрами на грамм, для целлюлозного волокна она составляет около 1 м 2 /г. Например, твердая древесина имеет частицы с площадью поверхности 1,01 м 2 /г, мягкая древесина — 1,34 м 2 /г. Льняное волокно имеет удельную поверхность между 0,31 и 0,88 м 2 /г в зависимости от способа ее обработки. Кроме того, удельная поверхность зависит главным образом от того, какое средство использовалось для ее измерения — газ, вода, ртуть или большие органические молекулы. Чем больше молекула, использованная для измерения, тем ниже удельная поверхность. Например, удельная поверхность целлюлозного волокна, доступная для воды в смоченном состоянии, 100–200 м 2 .

Содержание влаги, способность абсорбировать воду

Чистые полимеры (кроме полиамидов), которые используются в композитных материалах, практически не поглощают воду (сотые или тысячные доли процента по массе). Введение целлюлозного волокна в полимер значительно увеличивает водопоглощение (0,5–2% при выдержке 24 ч в воде), которое все же намного ниже по сравнению с самим деревом (обычно более 20% по массе за 24 ч в воде).

Целлюлозные и лигноцеллюлозные волокна поглощают воду в количестве до 200% и более. Измельченные частицы рисовой шелухи поглощают 220% воды по массе.

Влагосодержание в целлюлозном волокне обычно достигает 2–12% в зависимости от происхождения волокна и влажности воздуха при хранении. Влагосодержание измельченной рисовой шелухи, поставляемой для производства ДПК, изменяется между 8,5 и 9,5% в течение года.

Для рами и хлопкового волокна, как сообщают, способность к влагопоглощению может достигать в условиях окружающей среды до 17 и 25% соответственно; однако эти условия часто четко не определены.

Способность наполнителя поглощать масло

Целлюлозное волокно — уникальный материал, в котором может абсорбироваться с одинаковым успехом и вода, и масло. «Одинаковый» не означает количественно равный, это означает, что целлюлозное волокно поглощает обе жидкости хорошо. Например, измельченная рисовая шелуха поглощает 240 %масс. моторного масла. Как было показано выше, она поглощает 200 %масс.

ияние на механические свойства композитного материала

Целлюлозное волокно — хороший армирующий наполнитель. Фактически, это один из двух основных факторов самого существования ДПК материалов: а) чтобы получить композитный материал менее дорогим и б) чтобы получить материал с общими свойствами, лучшими по сравнению с чистым полимером, с одной стороны, и древесиной, с другой. Например, модуль упругости при растяжении конкретного образца чистого ПП составлял 203 000 psi, тогда как для того же ПП, наполненного 40% джута, он составлял 1 030 000 psi. Для сравнения, для того же ПП, наполненного 40% стеклянного волокна, он был 1 100 000 psi. Модуль упругости при растяжении самого натурального волокна лежит в интервале 3 800 000–17 400 000 psi.

Использование пеньки в качестве наполнителя приводит к гораздо большему увеличению прочности при изгибе по сравнению с древесной мукой (57% по сравнению с 12–15%); однако увеличение модуля упругости при изгибе с обоими наполнителями примерно одинаковое (в 2,2 раза с 33% пеньки по сравнению с увеличением в 1,6 и 2,5 раза с 20 и 40% древесной муки соответственно).

Другие данные, полученные в более широком интервале содержания древесной муки в качестве наполнителя в полипропилене, показывают, что прочность при изгибе композита достигает максимума при 40% наполнителя, и затем снижается. Очевидно, не имеется достаточно полимера для того, чтобы обеспечить хорошую адгезию для всех частиц наполнителя. Модуль упругости при изгибе, однако, увеличивается монотонно с увеличение содержания наполнителя.

Модуль упругости при растяжении также увеличивается, в то время как прочность при растяжении уменьшается.

Часто (но не всегда), чем выше коэффициент формы древесного волокна, тем выше прочность при изгибе и модуль упругости при изгибе наполненных ДПК.

Часто наблюдают, что чем выше содержание волокна, тем выше прочность и модуль упругости при изгибе ДПК. Например, увеличение содержания древесного волокна от 20 до 40, 50 и 60% по массе в полипропилене ведет к методичному повышению прочности и модуля упругости при изгибе, приводя к их общему повышению более чем на 200%.

Влияние на обесцвечивание и долговечность полимеров и композитов

Чем выше количество целлюлозного волокна в композиции, тем выше обесцвечивание при прочих равных условиях, однако и рисовая шелуха, и древесная мука увеличивают стойкость композитных материалов к окислительной деструкции.

Можно видеть, что увеличение содержания целлюлозного наполнителя, с одной стороны, повышает обесцвечивание, с другой стороны, увеличивает стойкость материала к окислению. Очевидно, повышение общей стабильности материала может сопровождаться повышением его обесцвечивания.

Древесная мука обеспечивает лучшие антиокислительные свойства по сравнению с рисовой шелухой.

Влияние на вязкость расплава

Волокно целлюлозы, очевидно, повышает вязкость полимерного расплава. Кроме того, волокно различных видов влияет на вязкость по-разному даже при одинаковом размере частиц. Например, сосна, можжевельник и тамариск (размер частиц 40–60 меш), каждое в количестве 50 %масс. в ПЭВП, приводит к показателю текучести расплава (ПТР) 0,2, 0,6 и 1,6 соответственно. Другими словами, сосновая мука увеличивала вязкость в большей степени. Вязкость продолжала увеличиваться с уменьшением размера частиц древесной муки.

Показатель текучести расплава ПЭВП в присутствии 50% древесной муки уменьшается довольно значительно, с 1,6 г/10 мин для тамариска до 0,2 г/10 мин в присутствии сосны. Более того, если мы рассматриваем исходное значение ПТР для чистого полимера, снижение ПТР весьма существенно.

Например, полипропилен с ПТР 23 г/10 мин (ПТР составлял 29 г/10 мин после переработки в экструдере при 100 или 300 оборотах в минуту) был наполнен 20% отбеленного сульфатного целлюлозного волокна, и после экструзии при 100 оборотах в минуту ПТР снизился до 2 г/10 мин. При наполнении 30% волокна ПТР далее снижался до 0,5 г/10 мин.

Влияние на технологическую усадку

Существует мнение, что увеличенный размер частиц обеспечивает более низкую технологическую усадку из-за лучшего течения (более низкой вязкости). Однако в действительности связь между этими двумя параметрами более сложная. Показано, что когда средний размер частиц древесной муки увеличился примерно с 50–60 до 200 мкм, технологическая усадка снизилась с 0,58 ± 0,02 до 0,47 ± 0,02%, и при дальнейшем увеличении до 500 мкм технологическая усадка или оставалась такой же, или даже немного увеличивалась, примерно до 0,49 ± 0,02%.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Источник