PMC

Résultats et discussion

La figure 1 montre les propriétés de sorption liquide des papiers traités dans de l’eau (A), de l’éthanol (anhydre) (B), du méthanol (anhydre) (C), de l’hydroxyde de sodium 1 N (D), jusqu’à cinq étapes de séchage et de mouillage répétées. On peut révéler que la sorption la plus élevée s’est produite avec l’échantillon D (230,5% au 1er cycle et 179,8% au 5e cycle) suivi de l’échantillon A (182,3% au 1er cycle et 170,6% au 5e cycle), de l’échantillon B (109,4% au 1er cycle et 97.6% au 5e cycle), et l’échantillon C (101,5% au 1er cycle et 84,3% au 5e cycle), respectivement. Cependant, la répétition du séchage et du mouillage affecte généralement la diminution de l’absorption liquide des feuilles. Ce n’est pas surprenant car un certain nombre de chercheurs ont déjà signalé une corrélation certaine entre les traitements chimiques et les propriétés de sorption des matériaux cellulosiques.

Ces réductions peuvent être attribuées à une modification de la structure du polymère fibreux, comme les réticulations des liaisons hydrogène ou l’élimination des sites de liaison H pour les liquides. En effet, tous les liquides utilisés dans cette étude ont une capacité de liaison hydrogène et peuvent pénétrer dans la structure du réseau de papier, suivie d’une substitution de -OH pour les liaisons hydrogène de la cellulose à la cellulose. De plus, la fermeture de pores plus grands qui ne se rouvrent pas lors du remouillage peut être affectée par des forces de tension superficielle élevées. Ce mécanisme d’écrouissage ultérieur et les forces peuvent souder les pores et résister à la pénétration du liquide dans une certaine mesure. Ceux-ci sont en bon accord avec les résultats rapportés par Wistara (1999) selon lesquels les fibres séchées ayant une capacité de gonflement initiale plus élevée ont une capacité de reswell plus faible.

Cependant, l’échantillon traité à l’hydroxyde de sodium 1 N (D) a une valeur d’absorption considérablement plus élevée que les autres. Après le 5ème cycle de mouillage-séchage répété, l’échantillon D montre une absorption d’environ 6% plus élevée de l’échantillon A, 85% de l’échantillon B et 114% de l’échantillon C, respectivement (Figure 1). Cela peut être attribué à la réorientation des microfibrilles et à un meilleur alignement des chaînes de cellulose dans la structure du réseau de feuilles qui favorisent des sites de liaison H supplémentaires pour le liquide. Das et Chakraborty (2006) ont constaté que pendant le traitement alcalin, une transformation du réseau de la cellulose-I en cellulose-II a eu lieu et que l’hydroxyde de sodium introduit des changements considérables dans la cristallinité et l’angle d’orientation dans la structure de la cellulose. Ceux-ci peuvent affecter une région moins cristalline dans la cellulose, d’où un autre lieu de liaison H pour les liquides.

L’effet marqué de l’addition d’hydroxyde de sodium à l’éthanol (B) en termes de sorption du papier (E, F et G) est clairement évident à la figure 2. L’absorption la plus élevée a été obtenue avec l’échantillon F (EtOH-NaOH 1: 3 en vol) après le 1er cycle de mouillage-séchage (185,7%) et d’autres traitements diminuant les effets sur la sorption liquide des papiers mais ils restent considérablement plus élevés que seulement EtOH et une quantité inférieure de NaOH y compris les systèmes. L’échantillon F a montré une absorption de liquide environ 40 à 70 % plus élevée que l’échantillon B (109,4 %) à des stades de mouillage-séchage similaires (figure 2). Il semblait que l’augmentation de l’absorption du liquide était étroitement liée à la teneur en NaOH dans le système EtOH et inversement liée à l’étape de mouillage-séchage.

Les propriétés de sorption des papiers dans des conditions de réaction de mélange proportionnel de méthanol et d’hydroxyde de sodium sont illustrées à la figure 3. Semblable au système éthanol-alcali, l’absorption la plus élevée de 162,3% a également été trouvée avec l’échantillon I (MeOH-NaOH 1: 3 en vol) mais après la 5ème étape de mouillage-séchage. On peut également observer que le séchage-mouillage prolongé affecte généralement les propriétés d’absorption du liquide accrues de 2 à 10% pour l’échantillon I. Cependant, on peut réaliser que l’absorption du liquide était positivement corrélée à la teneur en hydroxyde de sodium dans le système méthanol.

Ces comparaisons entre les traitements et les résultats mesurés révèlent que la réponse à l’hydroxyde de sodium de la cellulose peut être assez bien prédite par un mélange proportionnel avec l’éthanol (Figure 2) et le méthanol (Figure 3).

Rowell a rapporté que l’interaction entre les cellulosiques et les liquides organiques était principalement influencée par le pH du solvant, la taille molaire et la capacité de liaison hydrogène du liquide. Cependant, les propriétés de sorption variables des feuilles traitées avec des mélanges d’éthanol et de méthanol avec des alcalis, dans des conditions similaires, révèlent clairement que l’absorption du liquide dans la structure de la feuille de papier est étroitement liée à la nature du liquide (pH) et à sa tension superficielle comme le révèlent les figures 1 à 3. De plus, il a déjà proposé que les propriétés de gonflement et de sorption des papiers dans des conditions alcalines soient supérieures à celles des conditions acides. Ceci est probablement lié aux ouvertures de fibrilles, qui influencent la capacité de gonflement de la cellulose, est un facteur important pour améliorer le potentiel d’absorption des fibres.

Watanabe et son groupe ont émis l’hypothèse qu’environ 3 à 7% en poids d’eau adsorbée était responsable de la stabilisation du réseau de liaison H à la surface de l’eau cellulosique. Mais, tous les systèmes de solvants utilisés dans cette étude ont un potentiel de liaison hydrogène et ils peuvent pénétrer dans la structure de la bande, suivie d’une substitution de -OH pour les liaisons hydrogène de la cellulose à la cellulose. Par conséquent, des liaisons H inter et intrachaïne de la cellulose peuvent être formées par des molécules de solvant lors de l’absorption.

La résistance à la traction des papiers a généralement été utilisée comme indication des effets du traitement sur la résistance du papier résultant de facteurs tels que la résistance des fibres et le collage. La figure 4 montre les résistances à la traction comparatives de dix papiers traités au solvant (A-J) différents par rapport aux papiers témoins ayant une résistance de 37,3 N/mm. Toutes les conditions de traitement entraînent apparemment un effet de diminution de la résistance des papiers. Après la 1ère étape de mouillage-séchage, la perte de résistance la plus élevée a été observée avec l’échantillon A (16,8 N / mm, -54,9%) suivi de l’échantillon B (18,0 N / mm, -51,3%), l’échantillon F (18,6 N/ mm, -50%), respectivement. Généralement, le mouillage-séchage continu favorise une perte de résistance supplémentaire des papiers. Cependant, la résistance la plus faible a été trouvée avec les échantillons B et D (13,0 N / mm, -65%) après la 5ème étape répétée de mouillage-séchage. Il est évident que les conditions de traitement étaient trop sévères, donc les propriétés de résistance des papiers ont fortement diminué. De plus, l’ajout d’alcali à l’éthanol et au méthanol (E-J) semble avoir moins d’incidence sur la perte de résistance sur les papiers.

La structure poreuse des feuilles a une influence majeure sur la pénétration d’un liquide dans le réseau. Lorsque le papier est en contact avec des liquides, ils ont tendance à passer de grandes cavités à de plus petites en fonction de leurs différentes pressions capillaires. Cependant, les solvants peuvent rapidement pénétrer dans les fibres et affecter la dégradation de la cellulose. Il a été proposé par Atalla que le processus de déshydratation de la cellulose favorise la mobilité moléculaire pourrait entraîner une amélioration des niveaux d’organisation moléculaire. Cependant, cette organisation moléculaire limite la capacité des fibres à répondre aux contraintes en mode élastique sans défaillance. Les résultats de résistance trouvés pour le papier cellulosique dans cette étude consistaient en ces informations.

Lors de l’évaluation de la résistance à la traction, l’étirement du papier à la rupture (% d’allongement) doit également être pris en compte. Il indique la capacité du papier à se conformer à une propriété souhaitée sous une contrainte de traction non uniforme. L’étirement comparatif (tel que rapporté, allongement à la rupture%) des échantillons (A-J) est illustré à la figure 5. En général, les propriétés d’étirement des feuilles se comportent généralement contrairement à la résistance à la traction. Il semble que le mouillage-séchage répété affecte un certain niveau d’étirement dans l’augmentation et la diminution dépend du type de solvant et de l’étape de traitement. Ceci est quelque peu surprenant, étant donné que les propriétés de résistance sont considérablement diminuées avec toutes les conditions de traitement.

Après la 1ère étape de mouillage-séchage, l’amélioration d’étirement la plus élevée a été trouvée avec l’échantillon G (26,8%) suivi de l’échantillon A (13,2%) et des améliorations d’étirement légèrement similaires avec les échantillons B, C, H, I et J (4-8%), dans cet ordre. Cependant, après la 5ème étape de mouillage-séchage, certains papiers présentent un étirement considérablement plus élevé que les échantillons non traités et / ou moins traités. L’étirement le plus élevé a donc été observé avec l’échantillon E (59,5%) suivi de l’échantillon I (49.8%), échantillon J (28,7 %), échantillon H (21 %), respectivement. De plus, les échantillons B, C, D et F présentent une perte d’étirement d’environ 18 à 27% par rapport au contrôle.

L’évolution de la résistance ainsi que le comportement physique des papiers sont très compliqués et dépendent de nombreux facteurs tels que la structure de la cellulose en particulier sur la région cristalline, et la liaison en H des éléments de réseau posés aléatoirement. Mais en bref, il est évident que les propriétés de résistance des feuilles diminuent considérablement avec les traitements liquides en particulier en milieu acide (B et C) mais l’ajout d’alcali (NaOH) aux solvants éthanol et méthanol semble avoir moins d’effet sur la perte de résistance, voire une certaine amélioration de niveau sur l’étirement des papiers réalisés dans diverses conditions.

La teinture Simons est une technique pratique d’évaluation de la structure poreuse des fibres de cellulose, en particulier dans les processus de recyclage et de réduction en pâte. Il peut fournir des preuves supplémentaires sur la modification de la macromolécule de cellulose. Lorsqu’un mélange de deux colorants (Bleu Direct I et Orange Rapide 15) est appliqué sur les fibres, le colorant bleu et / ou orange peut être absorbé par les fibres avec une taille de pores en fonction. Pour les fibres avec une gamme de distribution de taille de pores différente, la couleur de la fibre colorée peut dépendre du rapport de surface accessible aux deux colorants. Les structures chimiques des deux colorants sont représentées à la figure 6.

Le tableau 2 présente un résumé des échantillons de papier obtenus dans diverses conditions et de leurs propriétés de coloration au microscope optique. On s’est rendu compte que les papiers obtenus à partir de différentes conditions présentaient des intensités variables de coloration bleue et orange. Cependant, cette note ne reflète aucune mesure quantitative et que la comparaison ne doit être faite qu’à l’intérieur de chaque ensemble expérimental.

Après la 1ère étape de mouillage-séchage, à l’exception de l’échantillon B, les autres échantillons traités au solvant unique (A, C, D) présentent une couleur bleu-orange intense. De plus, les échantillons de papier traités avec des mélanges proportionnels d’EtOH, MeOH et NaOH (E-J) ont une couleur orange intermédiaire à orange foncé de différents niveaux. C’est une preuve claire que l’addition d’alcalis à l’état acide a des effets sur l’augmentation de la taille des pores des fibres. Parce que Direct Blue I a une taille moléculaire plus petite (env. 1 nm) et une affinité plus faible pour la cellulose par rapport à Direct Orange 15, qui a une taille moléculaire plus grande (5-36 nm) et une affinité plus forte. Mais après la 5ème étape de mouillage-séchage, la plupart des échantillons se colorent de couleur bleu foncé à bleu-orange clair à l’exception de l’échantillon F (EtOH-NaOH, 1:3 en vol) dont les fibres se colorent de couleur intermédiaire orange et légèrement orange foncé. Ceci est une preuve claire que l’augmentation de la concentration en alcalis dans les solvants acides peut avoir des effets sur la restauration de la taille des pores des fibres et des effets moins dommageables avec un séchage et un mouillage continus. Il a déjà été indiqué ci-dessus que les molécules Directes d’Orange 15 peuvent préférentiellement être adsorbées à la surface de la fibre où la taille des pores est appropriée (par example > 5 nm) pour accéder aux molécules directes d’Orange 15. Pour les petits pores capillaires (par exemple < 5 nm), où les molécules Directes Orange 15 ne sont pas accessibles, les molécules Directes Bleues I peuvent être adsorbées. Par conséquent, le rapport de l’Orange Direct adsorbé 15 au Bleu Direct adsorbé I devrait servir d’indicateur de la structure des pores, en particulier de la distribution de la population de la taille des pores du papier. Les résultats de coloration Simons sont généralement corrélés avec les propriétés de résistance et de sorption des papiers (figures 1 à 5).

Les spectres de FTIR de différents échantillons de papier traités au solvant de niveau ont été obtenus dans une plage de 400-4000 cm-1. Cependant, le spectre caractéristique du concentré de structure cellulosique dans la gamme de 800-2000 cm−1 et les principaux pics dans cette gamme ont été identifiés. Les spectres comparatifs de FTIR de divers papiers traités au solvant après la 5ème étape répétée de séchage-mouillage sont illustrés à la figure 7 (a-g).

Tous les spectres présentent une absorption multimodale dans la région 600-1000 cm−1 due aux groupes -OH dans la cellulose. La vibration C-H hors plan a été assignée à 750 cm-1. La bande à 900-1150 cm-1 est attribuée à un étirement C-C hors du plan, un étirement C-C-O à 1060 cm-1; un étirement symétrique C-O-C à 1150 cm-1 (Figure 7a). Cependant, les spectres des échantillons traités au solvant (figure 7d–f) présentent plus d’absorption dans la région 800-1200 cm−1 par rapport à la cellulose non traitée, où une vibration OH dans le plan plus complexe est dominante. Cependant, les vibrations CH2–CH2 moins intenses (1450-1700 cm-1) et les zones de crête C-C et C-O-C (Figure 7c, d, g) indiquent la génération d’une nouvelle chimie de surface liée à la modification de la chaîne induite par le solvant / séchée. Young (1994) et Weise et Paulapuro (1996) ont constaté que le séchage affecte l’abaissement de la distance entre les microfibrilles et les réticulations dans la structure de la cellulose. Cette modification peut être le niveau d’effets des liaisons H dans la cellulose. Les résultats obtenus avec l’évaluation FTIR de feuilles de cellulose traitées avec divers solvants et des cycles de séchage en continu par humidification confirment cette information. Sur la base des mesures de FTIR, il a été conclu qu’une certaine modification avait eu lieu lors de la diffusion du solvant et qu’une modification de la chaîne induite par le solvant s’était produite dans la structure de la cellulose.