модифицированные целлюлозные волокна что такое
Модифицированные целлюлозные волокна что такое
Волокна на основе сополимеров целлюлозы [197]
Целлюлозные волокна, обладая комплексом полезных свойств, имеют и существенные недостатки (сминаемость, малая устойчивость к действию микроорганизмов, низкая эластичность и др.). Поэтому разработаны и освоены в промышленности процессы получения химически модифицированных целлюлозных материалов. Широкое применение нашли ацетатные волокна и волокна из других производных целлюлозы. Интересными материалами являются волокна, полученные методами привитой сополимеризации, т. е. с использованием макромолекулярных реакций. Из таких волокон наиболее широкое практическое применение нашли волокна типа мтилон.
Волокно мтилон-В представляет собой сополимер целлюлозы и полиакрилонитрила, содержащий 60–70 % целлюлозы и 30–40 % полиакрилонитрила. Оно обладает повышенной устойчивостью к истиранию и фотохимической деструкции. Наличие в макромолекуле полиакрилонитрильных боковых цепей определяет устойчивость этого волокна к действию микроорганизмов — оно не гниет. Специфической особенностью волокна мтилон-В и получаемых из него изделий является шерстеподобный вид, обусловливающий возможность использования этого волокна для частичной замены шерсти в разнообразных изделиях, особенно при производстве ковров.
Освоено производство волокна мтилон-С, представляющего собой привитой сополимер целлюлозы (70–75 %) с полистиролом (25–30 %). Модифицированное таким образом вискозное штапельное волокно имеет повышенные стойкость к действию кислот и гидрофобность.
Хемосорбционные волокна [160, 198]
Хемосорбционными волокнами называются волокнистые материалы, которые способны к реакциям ионного обмена, окислительно-восстановительным реакциям или к комплексообразованию. Наибольшее распространение получили ионообменные волокна. Для получения хемосорбционных целлюлозных волокон применяют в основном метод привитой полимеризации.
В качестве анионообменных волокон используют привитые сополимеры целлюлозы и полиметилвинилпиридина, являющиеся слабоосновными анионитами. При последующем их алкилировании получают волокна с сильноосновными свойствами.
Модифицированные целлюлозные волокна что такое
Методы физико-химической обработки бумаги не всегда позволяют менять свойства готового материала в необходимых пределах. К тому же физико-химические методы обработки бумаги-основы не обеспечивают придания композиционному целлюлозному материалу принципиально новых свойств [5, 8, 10, 11]. Методы химической модификации непосредственно целлюлозы позволяют получать на основе модифицированных волокон новые виды бумаг с заранее заданными эксплуатационными свойствами [1, 2, 3, 6, 7].
Одним из направлений развития современной химии полимеров (как синтетических, так и природных) является модификация полимеров для получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами [4, 9]. Эта задача может решаться различными путями в зависимости от химической природы полимера, условий его переработки, свойств и областей применения получаемых изделий.
Целлюлозные волокна по сравению с синтетическими волокнами обладают как рядом преимуществ (большая гигроскопичность, более высокая термостойкость, лучшие гигиенические свойства, более низкая стоимость), так и рядом существенных недостатков (горючесть, сминаемость, малая устойчивость к действию микроорганизмов, невысокая эластичность) [1, 2].
Основными методами модификации, которые могут быть использованы для устранения указанных недостатков и придания целлюлозе новых ценных свойств, являются структурная и химическая модификации.
Методы структурной модификации целлюлозы основаны на направленном изменении взаимного расположения и степени ориентации макромолекул и особенно элементов надмолекулярной структуры в целлюлозном волокне. Такие изменения наблюдаются при обработке целлюлозных волокон растворами щелочей (процесс мерсеризации). Этими методами можно значительно улучшить механические свойства волокон и пленок, но нельзя придать им новые свойства.
Методы химической модификации основаны на направленном изменении химического состава и строения любого из трех компонентов целлюлозного волокна – целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина – за счет осуществления химических реакций [1, 10].
Для химической модификации целлюлозы используются все реакции классической химии целлюлозы, но практическое значение имеют следующие процессы:
Процессы этерификации или алкилирования сводятся к частичной замене в макромолекуле целлюлозы гидроксильных групп на ацетильные, метильные, карбоксиметильные, цианэтильные, оксиэтильные и другие. Эти реакции сыграли большую роль в получении разнообразных производных целлюлозы, а также для улучшения бумагообразующих свойств волокон.
Синтез привитых сополимеров является одним из наиболее перспективных методов химической модификации целлюлозы. Для синтеза привитых сополимеров целлюлозы могут быть использованы все методы, применяемые для синтеза других полимеров, но практически перспективным является метод радикальной полимеризации.
При модифицировании целлюлозных волокон следует учитывать следующие особенности:
– химические превращения функциональных групп в макромолекуле целлюлозы протекают, как правило, в гетерогенной среде в условиях заторможенной диффузии реагента в волокно, особенно в кристаллические области надмолекулярной структуры целлюлозы.
– ацетильные связи между макромолекулами целлюлозы малоустойчивы к действию минеральных кислот, поэтому химические превращения целлюлозы необходимо осуществлять в таких условиях, в которых разрыв ацетильных связей, приводящий к снижению молекулярной массы и ухудшению механических свойств целлюлозных материалов, происходит в минимальной степени.
Целлюлоза, как многоатомный спирт, может давать сложные эфиры неорганических и органических кислот, простые эфиры, алкоголяты, продукты окисления (кислоты), галогениды, аминопроизводные, комплексные соединения и т.д. Наиболее важными производными целлюлозы являются ее сложные и простые эфиры. Образование эфиров целлюлозы теоретически возможно для всех неорганических и органических кислот, но практическое значение имеют немногие из них.
Большинство реакций целлюлозы начинается в гетерогенной среде. В ходе некоторых реакций целлюлоза переходит в раствор, и они заканчиваются в гомогенной среде.
Спиртовые гидроксильные группы целлюлозы – это полярные группы, которые могут замещаться нуклеофильными группами или соединениями в сильнокислом растворе. В каждом глюкозном звене содержатся три ОН-группы, что делает возможным образование моно-, ди- и триэфиров целлюлозы. Водородные связи между ОН-группами целлюлозы при этерификации частично или полностью разрываются. Введение сложноэфирных групп увеличивает расстояние между цепями целлюлозы, и ее надмолекулярная структура изменяется или даже разрушается.
Эфиры целлюлозы различаются по степени полимеризации (СП), степени замещения (СЗ) и растворимости в воде или органических растворителях. Исходным сырьем для получения эфиров целлюлозы являются хлопковая и древесная целлюлоза, предназначенная для химической переработки.
Нитрат целлюлозы образуется в результате взаимодействия между ОН-группами целлюлозы и азотной кислотой. Нитраты целлюлозы со СЗ 1,8-2,0, растворимые в этаноле, используют для получения целлулоидной пленки и лаков. Нитраты со СЗ 2-2,3, растворимые в метаноле, ацетоне, сложных эфирах – для производства лаков и клеев. Нитраты со СЗ 2,2-2,8, растворимые в ацетоне, – для производства взрывчатых веществ.
Для получения нитратов со СЗ до 1,5 (этерификация примерно 50 % ОН-групп) применяют 77,5 %-ную азотную кислоту. Нитраты со СЗ 2 получают при использовании безводной азотной кислоты. Для достижения более высокой степени замещения применяют нитрующие смеси из азотной и серной кислот. В зависимости от состава нитрующей смеси, температуры и продолжительности нитрования получают нитраты целлюлозы с различными показателями качества.
После нитрования нитраты целлюлозы стабилизируют с целью удаления остаточных кислот, образовавшихся в результате побочных реакций, обрабатывая водными растворами нитрата магния, азотной кислоты, органических кислот, аминами.
Сульфат целлюлозы получают обработкой целлюлозы этерифицирующими смесями: серная кислота с триоксидом серы, серная кислота в жидком диоксиде серы, смесь серной и карбоновых кислот, триоксид серы в диметилформальдегиде (ДМФ). Сульфаты целлюлозы используют в качестве загустителей для типографских красок. Также они обладают ионообменными свойствами.
Фосфат целлюлозы получают обработкой целлюлозы фосфорной кислотой и оксидом фосфора (V) в спиртовом растворе или фосфорной кислотой в карбамиде. Фосфаты целлюлозы обладают огнезащитными и ионообменными свойствами.
Ацетат целлюлозы – наиболее важный из всех сложных эфиров органических кислот. По сравнению с нитратом целлюлозы, ацетаты имеет меньшую воспламеняемость и большую светостойкость.
В промышленности ацетилирование проводят ацетилирующей смесью, состоящей из уксусного ангидрида, ледяной уксусной кислоты и катализатора – серной или хлорной кислот. Перед ацетилированием для его ускорения и получения однородного продукта, целлюлозу подвергают предварительному набуханию в воде, уксусной кислоте, растворе аммиака или разбавленной серной кислоте.
В процессе ацетилирования целлюлоза набухает и постепенно растворяется. Далее проводят регенерацию целлюлозы из раствора. В процессе регенерации можно получать ацетатные волокна или пленки (процесс формования волокна). Для формования волокон триацетат целлюлозы растворяют в смеси дихлорметана с метанолом (9:1). Растворы продавливают через фильеры. Отверждение нитей осуществляют испарением растворителя потоком нагретого воздуха [2, 8].
Ацетилированию можно подвергать и бумажные полотна. Частично ацетилированная бумага обладает повышенной прочностью во влажном состоянии за счет образования поперечных связей между карбонильными и гидроксильными группами.
Простые эфиры целлюлозы используют в качестве эмульгаторов, диспергаторов, стабилизаторов в косметической, фармацевтической, пищевой, химической промышленности, в производстве пластмасс, текстильных изделий, цемента и бетона, в качестве загустителей типографских красок и лаков, для изготовления клеев и клеевых красок, в качестве защитных покрытий и пленок.
Предварительно целлюлозу превращают в щелочную целлюлозу или подвергают предварительному набуханию. Введение простых эфирных групп в молекулы целлюлозы придает ей способность к набуханию или даже растворению в холодной воде. Эти свойства зависят от степени и однородности замещения. Замена ОН-групп группами простого эфира вызывает увеличение молекулярной массы в зависимости от СЗ (степени замещения) и размера эфирной группы. В случае гидрофильных заместителей растворимость в воде достигается при относительно низкой степени замещения и сохраняется вплоть до полностью замещенных продуктов. Карбоксиметилцеллюлоза из всех эфиров целлюлозы производится в наибольших количествах. Наиболее распространена натриевая соль Na-КМЦ. Слабое карбоксиметилирование целлюлозы и вискозных волокон улучшает прочностные свойства.
Метилцеллюлозу в промышленности получают обработкой щелочной целлюлозы газообразным или жидким метилхлоридом. Получают метилцеллюлозу со степенью замещения вплоть до 3,0.
Гидроксиэтилцеллюлозу получают действием окиси этилена на щелочную целлюлозу. В промышленности получают три типа гидроксиэтилцеллюлозы: растворимую в водном растворе гидроксида натрия с СЗ 0,3-0,4; растворимую в воде с СЗ 0,5-2,5; высокозамещенную с СЗ > 2,5. Гидроксиэтилцеллюлоза обладает термопластичными и пленкообразующими свойствами. Слабое гидроксиэтилирование целлюлозы улучшает ее прочностные свойства (разрывную длину, сопротивление излому, прочность на растяжение) и термостабильность, но снижает светонепроницаемость.
В последние годы все большее значение приобретают смешанные простые эфиры целлюлозы. Их получают из щелочной целлюлозы одновременной обработкой метилхлоридом и окисью этилена. В зависимости от соотношения реагентов можно получить целлюлозные композиционные материалы с заданными эксплуатационными свойствами.
Таким образом, для новых целлюлозных композиционных материалов, обладающих высокими прочностными характеристиками, а так же с заданным балансом сорбционных свойств поверхности готового материала, целесообразно применять методы химической модификации непосредственно целлюлозы. Это позволит значительно расширить спектр материалов на основе целлюлозного сырья.
Модифицированные целлюлозные волокна что такое
GOODS MATRIX
Независимый Интернет-Каталог товаров широкого спроса
Информация для покупателей и профессионалов
ЗНАЙТЕ ВСЁ О ТОМ, ЧТО ВЫ ЕДИТЕ!
www.goodsmatrix.ru
Модифицированная целлюлоза в пище
Метилцеллюлоза Е461
Метилцеллюлоза Е461 (метиловый эфир целлюлозы, methylcellulose) – модифицированная целлюлоза, пищевая добавка, применяющаяся в качестве загустителя, стабилизатора, гелеобразователя, пленкообразователя, наполнителя, носителя.
Метилцеллюлозой является светлый порошок или гранулят, не имеющий запаха и вкуса, растворимый только в холодной воде с образованием вязких растворов.
Метилцеллюлозу производят с помощью набухания в щелочной среде и взаимодействия с метилхлоридом целлюлозы, полученной непосредственно из растительных волокон.
Применение метилцеллюлозы Е461
Пищевая добавка разрешена для применения в РФ. В Международных стандартах на пищевые продукты Кодекс Алиментариус также разрешено использование Е461 в качестве гелеобразователя и загустителя.
Метилцеллюлоза применяется для производства
Пищевая добавка относится к балластным веществам, которые не усваиваются в желудочно-кишечном тракте и выводятся из организма без изменений.
Слабительное действие метилцеллюлозы отмечалось при приеме более 5г в день.
Санкт-Петербургский экологический союз не рекомендует ежедневное употребление продуктов, содержащих Е461
Метилэтилцеллюлоза Е465
Метилэтилцеллюлоза Е465 (этилметилцеллюлоза, метилэтиловый эфир целлюлозы, модифицированная целлюлоза, Ethyl methyl cellulose) – продукт модификации натуральной целлюлозы, пищевая добавка, выполняющая функции загустителя, эмульгатора, гелеобразователя, пенообразователя, стабилизатора пены, пленкообразователя.
Метилэтилцеллюлозу производят из натуральной целлюлозы с помощью набухания в щелочи и взаимодействия с метил- и этилхлоридом.
Пищевая добавка представляет собой светлый порошок или гранулят, хорошо растворимый в холодной воде, нерастворимый в горячей воде, средне растворимый в этаноле.
Применение метилэтилцеллюлозы Е465
Пищевая добавка разрешена для применения в РФ и ЕС.
Е465 используется
Не допускается совместное использование метилэтилцеллюлозы и окиси этилена, так как это приводит к образованию метилгидроксиэтилцеллюлозы, запрещенной для применения в продуктах питания.
Метилэтилцеллюлоза и здоровье
Е465 является балластным веществом, которое не расщепляется в пищеварительном тракте и не усваивается организмом.
Согласно неофициальным источникам, пищевая добавка может усугублять заболевания желудочно-кишечного тракта у людей, ими страдающих.
Санкт-Петербургский экологический союз не рекомендует ежедневно употреблять продукты, содержащие метилэтилцеллюлозу
Читайте также
Уважаемые читатели!
Нам интересно, какие темы вы хотели бы увидеть на страницах рассылки, о каких продуктах вы хотели бы узнать подробнее. ПИШИТЕ НАМ!
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.
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.
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)
Плотность (удельный вес) ДПК не зависит от размера частиц древесной муки.
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 ;
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 ;
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
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