PMC

tulokset ja keskustelu

Kuva 1 osoittaa vedellä (a), (vedetön) etanolilla (B), (vedetön) metanolilla (C), 1 N natriumhydroksidilla (D), enintään viisi toistuvaa kuivaus-ja kostutusvaihetta käsiteltävien papereiden nestemäiset sorptioominaisuudet. Voidaan osoittaa, että suurin sorptio tapahtui näytteellä D (230,5% 1.syklissä ja 179,8% 5. syklissä), jota seurasi näyte a (182,3% 1. syklissä ja 170,6% 5. syklissä), näyte B (109,4% 1. syklissä ja 97.6% 5. syklissä) ja näyte C (101, 5% 1.syklissä ja 84, 3% 5. syklissä). Toistuva kuivaus ja kostutus vaikuttavat kuitenkin yleensä lakanoiden nesteen imeytymisen vähenemiseen. Tämä ei ole yllättävää, koska useat tutkijat ovat jo raportoineet selvän korrelaation selluloosamateriaalien kemiallisten käsittelyjen ja sorptioominaisuuksien välillä .

vähennykset johtuvat kuitupolymeerirakenteen muutoksesta, kuten vetysidosten ristisidoksista tai H-sidospaikkojen poistumisesta nesteiltä. Koska kaikilla tässä tutkimuksessa käytetyillä nesteillä on vetysidoskyky ja ne voivat tunkeutua paperin verkostorakenteeseen, minkä jälkeen selluloosan ja selluloosan vetysidosten korvaaminen-OH: lla. Lisäksi suurempien huokosten, jotka eivät avaudu uudelleen, sulkeminen voi vaikuttaa korkeisiin pintajännitysvoimiin. Tämä myöhempi kanta-karkaisumekanismi ja voimat voidaan hitsata huokoset ja vastustaa nesteen tunkeutumista jonkin verran. Nämä ovat hyvässä yhteisymmärryksessä wistaran (1999) raportoimien tulosten kanssa, että kuivatuilla kuiduilla, joilla on suurempi alkuperäinen turpoamiskyky, on pienempi kyky uudelleensäilytykseen .

1 N natriumhydroksidilla käsitellyllä näytteellä (D) on kuitenkin huomattavasti suurempi imeytymisarvo kuin muilla. Toistetun kostutus-kuivausjakson 5. jälkeen näyte D osoittaa noin 6% suurempaa imeytymistä näytteestä A, 85% näytteestä B ja 114% näytteestä c (kuva 1). Sen voidaan katsoa johtuvan mikrokuitujen uudelleensuuntaamisesta ja selluloosaketjujen paremmasta linjauksesta levyverkkorakenteessa, mikä edistää nesteen H-sidospaikkojen lisäämistä. Das and Chakraborty (2006) havaittiin, että alkalikäsittelyn aikana tapahtui ristikkomuutos selluloosa-I: stä selluloosa-II: ksi ja natriumhydroksidi tuo mukanaan huomattavia muutoksia selluloosarakenteen kristallipitoisuudessa ja orientaatiokulmassa . Nämä voivat vaikuttaa vähemmän kiteinen alue selluloosassa siten edelleen h-liimaus paikka nesteille.

natriumhydroksidin lisääminen etanoliin (B) paperin sorptioon (E, F ja G) näkyy selvästi kuvassa 2. Suurin imeytyminen saavutettiin näytteellä F (EtOH-NaOH 1:3 tilavuusprosentteina) 1.kostutus-kuivausjakson jälkeen (185,7%) ja jatkokäsittelyillä, jotka vaikuttavat paperien nestemäiseen sorptioon, mutta ne ovat edelleen huomattavasti suurempia kuin vain EtOH ja pienempi määrä NaOH mukaan lukien järjestelmät. Näytteessä F nesteen imeytyminen oli noin 40-70% suurempaa kuin näytteessä B (109,4%) samanlaisissa kostutuskuivausvaiheissa (kuva 2). Vaikutti siltä, että nesteen imeytymisen lisääntyminen liittyi läheisesti NaOH-pitoisuuteen EtOH-järjestelmässä ja kääntäen kostutus-kuivausvaiheeseen.

papereiden sorptioominaisuudet suhteessa metanolin ja natriumhydroksidin reaktio-olosuhteisiin on esitetty kuvassa 3. Samanlainen etanoli-alkali järjestelmä, korkein imeytyminen 162,3% havaittiin myös näytteen I (MeOH-NaOH 1: 3 tilavuusprosentteina) mutta jälkeen 5th kostutus-kuivaus vaiheessa. Voidaan myös todeta, että laajennettu kuivaus-kostutus vaikuttaa yleensä 2-10% lisääntyneeseen nesteen imeytymisominaisuuksiin näytteessä I. voidaan kuitenkin ymmärtää, että nesteen imeytyminen korreloi positiivisesti natriumhydroksidipitoisuuden kanssa metanolijärjestelmässä.

nämä käsittelyjen ja mitattujen tulosten väliset vertailut osoittavat, että selluloosan natriumhydroksidivaste voidaan ennustaa melko hyvin suhteellisella sekoituksella etanolin (kuva 2) ja metanolin (kuva 3) kanssa.

Rowell raportoi, että selluloosan ja orgaanisten nesteiden väliseen vuorovaikutukseen vaikuttivat pääasiassa liuottimen pH, moolikoko ja nesteen vetysidoskyky . Etanolin ja metanolin ja emäksen seoksilla samanlaisissa olosuhteissa käsiteltyjen arkkien muuttuvat sorptioominaisuudet osoittavat kuitenkin selvästi, että nesteen imeytyminen paperiarkin rakenteeseen liittyy läheisesti nesteen luonteeseen (pH) ja sen pintajännitykseen, kuten kuvissa 1-3 esitetään. Lisäksi se on jo esittänyt, että paperin turpoamis-ja sorptioominaisuudet olisivat emäksisissä olosuhteissa korkeammat kuin happamissa olosuhteissa . Tämä liittyy todennäköisesti fibril aukot, joka vaikuttaa paisuvaiskyky selluloosa, on tärkeä tekijä parantaa imeytymistä mahdollisuuksia kuituja.

Watanabe ryhmineen arveli, että noin 3-7 paino- % adsorboituneesta vedestä oli vastuussa h-sidosverkon stabiloitumisesta selluloosaveden pinnalla . Mutta kaikilla tässä tutkimuksessa käytetyillä liuotinjärjestelmillä on vetysidospotentiaali ja ne voivat tunkeutua rainan rakenteeseen, minkä jälkeen selluloosan-OH: n korvaaminen selluloosan vetysidoksilla. Näin ollen selluloosan intrakaiini-ja intrakaiini-h-sidoksia voi muodostua liuotinmolekyyleistä imeytymisen aikana.

paperin vetolujuus on yleensä käytetty osoituksena siitä, miten käsittely vaikuttaa paperin lujuuteen, joka on johdettu esimerkiksi kuidun lujuudesta ja sidoksesta. Kymmenen erilaista liuotin (A-J) – käsiteltyä paperia, joiden lujuus on 37,3 N/mm, vetolujuus on esitetty kuvassa 4. Kaikki hoito-olosuhteet aiheuttavat ilmeisesti papereiden heikentyneen lujuuden vaikutuksen. Ensimmäisen kostutus-kuivausvaiheen jälkeen havaittiin suurin lujuushäviö näytteellä a (16.8 n/mm, -54.9%), jota seurasi näyte B (18.0 n/mm, -51.3%), näyte F (18.6 n / mm, -50%). Yleensä jatkuva kostutuskuivaus suosii papereiden lujuuden menetystä entisestään. Kuitenkin pienin vahvuus löytyy näytteen B ja D (13.0 n/mm, -65%) jälkeen 5.toistuvan kostutus-kuivaus vaiheessa. On ilmeistä, että hoito-olosuhteet olivat liian ankarat, jolloin papereiden lujuusominaisuudet laskivat jyrkästi. Lisäksi emäksen lisääminen sekä etanoliin että metanoliin (E-J) vaikuttaa papereissa vähemmän vahvuushäviöön.

arkkien huokoisella rakenteella on suuri vaikutus nesteen tunkeutumiseen verkkoon. Kun paperi joutuu kosketuksiin nesteiden kanssa, niillä on taipumus siirtyä suurista onteloista pienempiin erilaisten kapillaaripaineidensa mukaan. Liuottimet voivat kuitenkin tunkeutua nopeasti kuituun ja vaikuttaa selluloosan hajoamiseen. Atalla ehdotti, että selluloosan dehydraatioprosessi, joka edistää molekyylien liikkuvuutta, voisi johtaa molekyylien järjestäytymisasteen parantamiseen. Tämä molekyyliorganisaatio kuitenkin rajoittaa kuitujen kykyä vastata stressiin elastisessa tilassa ilman epäonnistumista . Tässä tutkimuksessa selluloosapaperille löydetyt lujuustulokset koostuivat tästä tiedosta.

vetolujuutta arvioitaessa on otettava huomioon myös paperin venyminen murtohetkellä (venymä%). Se osoittaa paperin kykyä mukautua haluttuun ominaisuuteen ei-yhtenäisessä vetojännityksessä. Näytteiden verrannollinen venymä (ilmoitettuna, murtovenymä%) (A-J) esitetään kuvassa 5. Yleensä arkkien venytysominaisuudet käyttäytyvät yleensä vetolujuuden vastaisesti. Näyttää siltä, että toistuva kostutus-kuivaus jollakin tasolla vaikuttaa venyttää joko lisätä ja lasku riippuu liuottimen tyyppi ja käsittelyvaihe. Tämä on hieman yllättävää, kun otetaan huomioon, että lujuusominaisuudet ovat huomattavasti vähentyneet kaikissa hoitotilanteissa.

ensimmäisen kostutus-kuivausvaiheen jälkeen suurin venytysparannus havaittiin näytteellä G (26,8%), jota seurasi näytteellä a (13,2%), ja marginaalisesti samanlaiset venytysparannukset näytteillä B, C, H, I ja J (4-8%), tässä järjestyksessä. Kuitenkin 5. kostutus-kuivausvaiheen jälkeen jotkut paperit osoittavat huomattavasti suurempaa venymistä kuin käsittelemättömät ja / tai matalammat käsitellyt näytteet. Suurin venymä eli paraneminen havaittiin otoksella E (59, 5%), jota seurasi otos I (49.8%), näyte J (28, 7%) ja näyte H (21%). Lisäksi näytteet B, C, D ja F osoittavat noin 18-27% venytyshäviö verrattuna kontrolliin.

paperin lujuuskehitys sekä fyysinen käyttäytyminen ovat hyvin monimutkaisia ja riippuvat monista tekijöistä, kuten selluloosan rakenteesta erityisesti kiteisellä alueella ja satunnaisesti asetettujen verkkoelementtien h-sidoksesta. Lyhyesti sanottuna on kuitenkin ilmeistä, että arkkien lujuusominaisuudet vähenevät huomattavasti nestemäisillä käsittelyillä erityisesti happamassa ympäristössä (B ja C), mutta emästen (NaOH) lisäämisellä sekä etanoli-että metanoliliuottimiin näyttää olevan vähemmän vaikutusta lujuuden menetykseen, jopa jonkinasteinen tasonparannus erilaisissa olosuhteissa toteutetuissa paperien venytyksissä.

Simons stain on käytännöllinen menetelmä selluloosakuitujen huokosrakenteen arviointiin erityisesti kierrätys-ja massankäsittelyprosesseissa . Se voi antaa lisänäyttöä selluloosamakromolekyylin muuntamisesta. Kun kahden väriaineen (Direct Blue I ja Fast Orange 15) seosta levitetään kuiduille, sininen ja/tai oranssi väriaine voi imeytyä kuituihin riippuen huokoskoosta. Kuiduille, joilla on eri huokoskokojakauma, värjätyn kuidun väri voi riippua molempien väriaineiden käytettävissä olevan pinta-alan suhteesta. Molempien väriaineiden kemialliset rakenteet on esitetty kuvassa 6 .

taulukossa 2 on yhteenveto eri olosuhteissa saaduista paperinäytteistä ja niiden värjäysominaisuuksista valomikroskoopilla. On selvää, että eri olosuhteissa saadut paperit osoittivat sinisen ja oranssin värin vaihtelevia intensiteettejä. Tämä luokitus ei kuitenkaan heijasta mitään kvantitatiivisia mittauksia ja että vertailu olisi tehtävä vain kunkin koeryhmän sisällä.

ensimmäisen kostutus-kuivausvaiheen jälkeen, lukuun ottamatta näytettä B, muut yhden liuottimen käsitellyt näytteet (A, C, D) osoittavat intensiivisen vaalean sini-oranssin värin. Lisäksi paperinäytteissä, jotka on käsitelty etoh: n, MeOH: n ja NaOH: n suhteellisilla seoksilla (E-J), on eritasoinen oranssin tai tumman oranssin välimuoto. Tämä on selvä todiste siitä, että emäksen lisäys happamaan tilaan vaikuttaa kuitujen huokoskoon kasvuun. Koska Direct Blue I: llä on pienempi molekyylikoko (n. 1 nm) ja heikompi affiniteetti selluloosalle verrattuna Direct Orange 15: een, jolla on suurempi molekyylikoko (5-36 nm) ja voimakkaampi affiniteetti. Mutta 5. kostutus-kuivaus vaiheessa, useimmat näytteet värjätään Tummansininen vaaleansininen-oranssi väri lukuun ottamatta näyte F (EtOH-NaOH, 1: 3 tilavuusprosentteina), joka kuidut tahrat väli oranssi ja hieman tumma oranssi. Tämä on selvää näyttöä siitä, että alkalipitoisuuden lisääminen happamissa liuottimissa voi olla vaikutuksia kuidun huokoskoon palautumiseen ja vaikuttaa vähemmän vahingolliselta jatkuvalla kuivaamisella ja kostutuksella. Edellä on jo todettu, että suorat Orange 15-molekyylit voidaan adsorboida mieluiten kuitupintaan, jossa huokoskoko on sopiva (esim. > 5 nm) suoran Orange 15-molekyylin pääsemiseksi. Pienissä kapillaarihuokosissa (esim. < 5 nm), joissa Orange 15-molekyyleihin ei pääse käsiksi, suorat Blue I-molekyylit voivat adsorboitua. Siksi adsorboituneen suoran oranssin 15: n ja adsorboituneen suoran sinisen I: n suhteen odotetaan toimivan indikaattorina huokosten rakenteesta, erityisesti paperin huokoskokoisesta populaatiojakaumasta. Simons-tahratulokset korreloivat yleensä papereiden lujuus-ja sorptioominaisuuksien kanssa (luvut 1-5).

eritasoisten liuotinkäsiteltyjen paperinäytteiden FTIR-spektrit saatiin välillä 400−4000 cm-1. Selluloosarakennetiivisteen ominaisspektri oli kuitenkin alueella 800-2000 cm-1 ja tämän alueen suurimmat huiput oli tunnistettu. Erilaisten liuotinkäsiteltyjen papereiden vertailevat FTIR-spektrit 5. toistuvan kuivauskostutusvaiheen jälkeen on esitetty kuvassa 7 (a-g).

kaikilla spektreillä esiintyy monimodaalista absorptiota 600-1000 cm-1 alueella johtuen selluloosan−OH –ryhmistä. Koneen ulkopuolinen C-H-tärinä määrättiin 750 cm−1. Bändi 900-1150 cm – 1 johtuu C-C ulos tason venyttely, C-C-O venytys 1060 cm−1; c-O-c symmetrinen venyttely 1150 cm−1 (kuva 7a). Liuotinkäsiteltyjen näytteiden spektreissä (Kuva 7d–f) esiintyy kuitenkin enemmän absorptiota alueella 800-1200 cm−1 suhteessa käsittelemättömään selluloosaan, jossa monimutkaisempi tason OH-tärinä on vallitseva. Kuitenkin vähemmän voimakas CH2-CH2-tärinä (1450-1700 cm−1) ja C-C-ja C-O-C-huippualueet (Kuva 7c, d, g) osoittavat uuden pintakemian syntymisen, joka liittyy liuottimen indusoimaan/kuivattuun ketjumuutokseen. Young (1994) ja Weise and Paulapuro (1996) havaitsivat, että kuivaus vaikuttaa mikrokuitujen ja ristisidosten välisen etäisyyden madaltumiseen selluloosarakenteessa . Tämä muunnos voi olla selluloosan h-sidosten vaikutustaso. FTIR-arvioinnin tulos selluloosalevyistä, joita on käsitelty erilaisilla liuottimilla ja jatkuvasti kostutetuilla ja kuivatuilla sykleillä, tukee tätä tietoa. FTIR-mittausten perusteella pääteltiin, että liuottimen diffuusion aikana oli tapahtunut joitakin muutoksia ja liuottimen indusoimaa ketjumuutosta tapahtui selluloosarakenteessa.