Prepararea și proprietățile nanocelulozei din pasta de paie Organosolv
V. A. Barbash
Universitatea Națională Tehnică din Ucraina „Institutul Politehnic Igor Sikorsky Kiev”, 37, Prospect Peremogy, Kiev, 03056 Ucraina
O. V. Yaschenko
Universitatea Națională Tehnică din Ucraina „Institutul Politehnic Igor Sikorsky Kiev”, 37, Prospect Peremogy, Kiev, 03056 Ucraina
O. M. Shniruk
Universitatea Națională Tehnică din Ucraina „Institutul Politehnic Igor Sikorsky Kiev”, 37, Prospect Peremogy, Kiev, 03056 Ucraina
Abstract
fundal
Nanoceluloză câștigă în mod constant atenția, deoarece acest material este o alternativă regenerabilă față de polimerii artificiali [1]. Cercetarea și dezvoltarea materialelor obținute din surse naturale regenerabile au fost în centrul atenției în diferite aplicații inginerești [2]. Utilizarea diferitelor tipuri de materiale lignocelulozice are un potențial mare pentru producerea de biocompozite, care sunt aplicate în dispozitive optoelectronice, ambalaje și construcții [3].
Nanoceluloză aparține unui grup de nanomateriale formate din particule de celuloză nanozizate. Caracteristicile particulelor de nanoceluloză depind de proprietățile materiilor prime vegetale și de metodele utilizate pentru producerea lor [4]. Nanoceluloză preparată din materiale regenerabile de lignoceluloză are proprietăți mecanice îmbunătățite, cum ar fi rezistență ridicată, flexibilitate, raport ridicat suprafață-volum și raport de aspect ridicat (raportul lungimea fibrelor la lățimea) [5, 6]. Nanomaterialele de celuloză prezintă proprietăți excelente, cum ar fi modulul elastic ridicat, suprafața specifică ridicată, transparența optică, coeficientul de expansiune termică scăzut și reactivitatea chimică [2]. Nanoceluloză înlocuiește adesea materiale atât de cunoscute, cum ar fi sticla și anumiți polimeri, care nu sunt biodegradabili în condiții ambientale, pentru a crea noi nanocompozite specifice, adsorbanți și materiale funcționale pentru electrozi în surse chimice de energie și dispozitive optoelectronice [7– 9]. Este, de asemenea, utilizat pentru producerea materialelor plastice și a hârtiei biodegradabile cu caracteristici speciale [10]. Nanoceluloză își găsește aplicarea în nanocompozite [11-14], pentru a crește rezistența și rezistența lor termică [15] și pentru a stabiliza emulsiile [16], în pregătirea filmelor bio-bazice [17].
În practica mondială, există metode de obținere a nanocelulozei din kanaf [18], coaja de ovăz [19], fibre de cocos [20] și alte materiale care conțin celuloză [21-23]. În timpul prelucrării cerealelor și a culturilor industriale, se formează tulpini și fibre ale plantelor care pot fi utilizate ca alternativă la lemn în producerea celulozei. Paiele de grâu, din care milioane sunt produse anual în țările dezvoltate în agricultură, pot fi, de asemenea, atribuite reprezentanților promițători ai materiilor prime vegetale non-lemnoase pentru obținerea celulozei.
În practica globală a industriei celulozei și hârtiei, tehnologiile dominante pentru obținerea celulozei sunt metodele de sulfat și sulfit, care duc la poluarea mediului. Creșterea cerințelor de mediu în ceea ce privește calitatea emisiilor de apă uzată și gaze ale întreprinderilor industriale necesită dezvoltarea de noi tehnologii pentru prelucrarea materiilor prime vegetale cu utilizarea solvenților organici [24, 25]. De exemplu, acidul peracetic este un agent oxidant puternic cu proprietăți excelente de albire. Este o alternativă sigură pentru mediu pentru înălbire, deoarece este un proces total fără clor care duce la deteriorarea mai mică a fibrelor [26].
Am investigat posibilitatea obținerii nanocelulozei din OSP niciodată uscat folosind doar hidroliza acidului sulfuric și tratamentul cu ultrasunete și am definit proprietățile mecanice și termice ale nanocelulozei.
Metode
Pentru a obține pulpă, au fost utilizate tulpini de paie de grâu din regiunea Kiev recoltate în 2015. Compoziția chimică medie raportată la materia primă absolut uscată (a.d.r.m.) a fost de 44,2% celuloză, 18,6% lignină, 25,2% pentozani, 4,2% cenușă, 4,9% rășină, grăsimi și ceruri și 71,8% holoceluloză. Compoziția chimică a tulpinilor de paie de grâu a fost identificată conform metodelor standard [29]. Pentru fiecare, parametrilor li s-au făcut două măsurători paralele și valoarea medie rezultată a fost dată în text. Înainte de cercetare, materia primă a fost măcinată la 2-5 mm și depozitată într-un desicator pentru menținerea umidității constante și a compoziției chimice.
Gătirea tulpinilor de paie în sistem alcool izobutilic - H2O - KOH - hidrazină a fost efectuată conform procedurii descrise în [27]. Pulpa organosolv recepționată a avut următorii indicatori de calitate: randamentul pulpei - 49%, lignina reziduală - 1,1%, cenușa - 1,63%, pentozanii - 0,93% până la a.d.r.m, albul - 51%.
Pentru a elimina lignina reziduală și a efectuat hidroliza parțială a hemicelulozei, am efectuat suplimentar tratamentul termochimic al OSP folosind acid acetic și peroxid de hidrogen într-un raport volumic de 70: 30% cu catalizatorul - acid sulfuric care a fost de 15% la masa adrm . Tratamentul cu amestecul a fost efectuat timp de 180 min la o temperatură de 95 ± 2 ° C. Am primit OSP decolorat cu un conținut de cenușă de 0,2%, lignină - mai puțin de 0,2%, grad de polimerizare - 460, albul - 83%, și l-am folosit pentru prepararea nanocelulozei.
Hidroliza OSP albit niciodată uscat a fost efectuată cu ajutorul acidului sulfuric cu o concentrație de 43%, la raportul lichid la solid 10: 1, la o temperatură de 20 și 60 ° C timp de 30 și 60 min. Celuloza hidrolizată a fost clătită cu apă distilată de trei ori prin centrifugare la 8000 rev/min și dializă ulterioară până la atingerea pH-ului neutru. Tratamentul cu ultrasunete al celulozei hidrolizate a fost efectuat folosind dezintegratorul cu ultrasunete UZDN-A (SELMI, Ucraina) cu 22 kGz timp de 30 de minute. Dispersia de celuloză a fost plasată într-o baie de gheață pentru a preveni supraîncălzirea în timpul tratamentului. În cele din urmă, suspensia a avut forma unei dispersii omogene de tip gel.
Suspensiile preparate au fost turnate în cutii Petri și uscate în aer la temperatura camerei pentru a obține pelicule de nanoceluloză. Densitatea acestora a fost determinată conform ISO 534: 1988. Gradul de polimerizare a fost determinat conform ISO 5351 de vâscozitatea probelor dizolvate în soluție de cupru etilen-diamină. Analiza microscopului cu scanare electronică (SEM) a fost efectuată cu microscopul PEM-106I (SELMI, Ucraina) pentru a observa morfologia filmelor OSP și CNF. Transparența filmelor de nanoceluloză a fost determinată de spectrele de absorbție a electronilor, care au fost înregistrate în regiuni de la 200 la 1100 nm. Spectrele de absorbție electronică ale filmelor de nanoceluloză în UV și în regiunile vizibile și în infraroșu apropiat au fost înregistrate pe spectrofotometrul cu două fascicule 4802 (UNICO, SUA) cu rezoluție de 1 nm.
Imaginile cu microscopie electronică de transmisie (TEM) au fost obținute folosind microscopul electronic TEM125K (SELMI, Ucraina) care funcționează la un potențial de 100 kV. O suspensie diluată de CNF (0,1% în greutate) a fost aruncată pe o schelă subțire Lacey Formvar/Carbon, 400 mesh, cupru aprox. dimensiunea orificiului grilei 42 μm (TED PELLA, Inc, SUA). Caracterizarea topografică a probelor de nanoceluloză a fost investigată folosind microscopia de forță atomică (AFM), iar măsurătorile au fost realizate cu consolă de Si, funcționând în modul de atingere pe dispozitivul Solver Pro M, NT-MDT, Rusia. Viteza și zona de scanare au fost 0,6 linie/s și respectiv 2 × 2 μm 2. Înainte de investigația AFM, suspensiile diluate de nanoceluloză cu o concentrație de 0,01% în greutate au fost tratate cu ultrasunete timp de 10 minute. Ulterior, o picătură de dispersie de CNF pentru probă a fost injectată pe o sticlă-ceramică proaspăt curată și uscată la aer la temperatura camerei.