PMC

különböző Oldószerkeverékekbe merített Cellulózpapír fizikai és kémiai tulajdonságairól szóló tanulmány eredményei és ismertetése

az 1.ábra a vízben (a), (vízmentes) etanolban (B), (vízmentes) metanolban (C), 1 N nátrium-hidroxidban (d) kezelt papírok folyékony szorpciós tulajdonságait mutatja, legfeljebb öt ismétlődő szárítási és nedvesítési szakaszban. Kiderült, hogy a legmagasabb szorpció a D mintával történt (230,5% az 1.ciklusban és 179,8% az 5. ciklusban), majd az a mintával (182,3% az 1. ciklusban és 170,6% az 5. ciklusban), a B mintával (109,4% az 1. ciklusban és a 97. ciklusban).6% az 5. ciklusban), illetve a C minta (101,5% az 1.ciklusban és 84,3% az 5. ciklusban). Az ismétlődő szárítás és nedvesítés azonban általában befolyásolja a lapok folyadékfelszívódásának csökkenését. Ez nem meglepő, mivel számos kutató már határozott összefüggést jelentett a kémiai kezelések és a cellulóztartalmú anyagok szorpciós tulajdonságai között .

ezek a csökkentések a szálpolimer szerkezetének megváltozásának tulajdoníthatók, például hidrogénkötések keresztkötéseinek vagy a folyadékok H-kötési helyeinek megszüntetésének. Mivel az ebben a tanulmányban használt összes folyadék hidrogénkötő képességgel rendelkezik, és behatolhat a papírhálózat szerkezetébe, majd a cellulóz-OH helyettesítése cellulóz-hidrogénkötésekkel. Ezenkívül a nagyobb pórusok bezárása, amelyek nem nyílnak meg újra az újranedvesítéskor, hatással lehet A nagy felületi feszültségre. Ez az ezt követő törzs-keményedés mechanizmus és erők lehet hegeszteni a pórusokat, és ellenáll a folyadék penetráció bizonyos fokig. Ezek jó összhangban vannak a wistara (1999) által jelentett eredményekkel, amelyek szerint a magasabb kezdeti duzzadási képességű szárított rostok alacsonyabb képességgel rendelkeznek .

azonban 1 N nátrium-hidroxiddal kezelt minta (D) abszorpciós értéke lényegesen magasabb, mint másoké. Az 5. ismétlődő nedvesítési-szárítási ciklus után a D minta körülbelül 6% – kal nagyobb abszorpciót mutat az A mintából, 85% – kal a B mintából, illetve 114% – kal a C mintából (1.ábra). Ennek tulajdonítható a mikrofibrillák átirányítása és a cellulózláncok jobb összehangolása a lemezhálózati struktúrában, amelyek elősegítik a folyadék további H-kötési helyeit. Das és Chakraborty (2006) azt találták, hogy az alkáli kezelés során a cellulóz-I-ről cellulóz-II-re történő rácsos átalakulás zajlott le, és a nátrium-hidroxid jelentős változásokat vezet be a kristályosságban és az orientációs szögben a cellulóz szerkezetében . Ezek hatással lehetnek a cellulóz kevésbé kristályos régiójára, ezért további h-kötési hely a folyadékok számára.

az etanolhoz (B) adott nátrium-hidroxid jelentős hatása a papír szorpciójára (E, F és G) egyértelműen látható a 2.ábrán. A legnagyobb abszorpciót az F mintával (EtOH-NaOH 1:3 térfogat szerint) kaptuk az 1. nedvesítési-szárítási ciklus után (185,7%), és további kezelések a papírok folyékony szorpciójára gyakorolt hatását, de még mindig jelentősen magasabbak, mint csak az EtOH és alacsonyabb mennyiségű NaOH, beleértve a rendszereket is. Az F minta körülbelül 40-70% – kal magasabb folyadékabszorpciót mutatott, mint a B minta (109,4%) hasonló nedvesítési-szárítási szakaszokban (2.ábra). Úgy tűnt, hogy a folyadék felszívódásának növekedése szorosan összefügg az EtOH rendszer NaOH-tartalmával, fordítottan pedig a nedvesítés-szárítás szakaszával.

a papír szorpciós tulajdonságait metanol és nátrium-hidroxid reakcióviszonyok arányos elegyénél a 3.ábra mutatja. Az etanol-alkáli rendszerhez hasonlóan a legmagasabb, 162,3% – os abszorpciót az I mintával (MeOH-NaOH 1:3 térfogat szerint), de az 5.nedvesítési-szárítási szakasz után is megtaláltuk. Megfigyelhetjük azt is, hogy a hosszabb szárítási nedvesítés általában 2-10%-kal nagyobb folyadékabszorpciós tulajdonságokat befolyásol az I. minta esetében.azonban felismerhető, hogy a folyadékabszorpció pozitívan korrelált a metanol-rendszer nátrium-hidroxid-tartalmával.

ezek a kezelések és a mért eredmények közötti összehasonlítások azt mutatják, hogy a cellulóz nátrium-hidroxid-reakciója meglehetősen jól megjósolható etanollal (2.ábra) és metanollal (3. ábra) való arányos keveréssel.

Rowell arról számolt be, hogy a cellulóz és a szerves folyadékok közötti kölcsönhatást elsősorban az oldószer pH-ja, a moláris méret és a folyadék hidrogénkötési képessége befolyásolta . Az etanol és metanol alkáli keverékével kezelt lemezek változó szorpciós tulajdonságai azonban hasonló körülmények között egyértelműen azt mutatják, hogy a folyadék felszívódása a papírlap szerkezetébe szorosan összefügg a folyadék természetével (pH) és felületi feszültségével, amint azt az 1-3.ábra mutatja. Ezenkívül már felvetette, hogy a papírok duzzadási és szorpciós tulajdonságai lúgos körülmények között magasabbak voltak, mint a savas körülmények között . Ez valószínűleg a rostnyílásokhoz kapcsolódik, ami befolyásolja a cellulóz duzzadási képességét, fontos tényező a rostok abszorpciós potenciáljának javításában.

Watanabe és csoportja azt feltételezte, hogy az adszorbeált víz körülbelül 3-7 tömeg % -a felelős a H-kötési hálózat stabilizálásáért a cellulóz-víz felszínén . De az ebben a tanulmányban használt összes oldószerrendszer rendelkezik hidrogénkötési potenciállal, és behatolhatnak a szövedék szerkezetébe, majd a cellulóz-OH-t cellulóz-hidrogénkötésekkel helyettesítik. Ezért a cellulóz inter és intrachain H-kötéseit oldószermolekulák képezhetik az abszorpció során.

a papírok szakítószilárdságát általában a kezelés jelzésére használják, amely befolyásolja a papír szilárdságát olyan tényezőkből, mint a szál szilárdsága és a kötés. Tíz különböző oldószerrel (a-J) kezelt papír összehasonlító szakítószilárdságát a 37,3 N/mm szilárdságú kontrollhoz képest a 4.ábra mutatja. Minden kezelési feltétel nyilvánvalóan csökkenti a papírok erejét. Az 1.nedvesítési-szárítási szakasz után a legnagyobb szilárdsági veszteséget az a mintával (16,8 N/mm, -54,9%), majd a B mintával (18,0 N/mm, -51,3%), az F mintával (18,6 N/mm, -50%) figyelték meg. Általában a folyamatos nedvesítés-szárítás elősegíti a papírok további szilárdságvesztését. A B és D mintában talált legkisebb szilárdság azonban (13,0 N/mm, -65%) az 5.ismétlődő nedvesítési-szárítási szakasz után. Nyilvánvaló, hogy a kezelési feltételek túl súlyosak voltak, így a papírok szilárdsági tulajdonságai jelentősen csökkentek. Ezenkívül úgy tűnik, hogy az alkáli hozzáadása mind az etanolhoz, mind a metanolhoz (E-J) kevésbé befolyásolja a papírok szilárdsági veszteségét.

a lemezek porózus szerkezete nagyban befolyásolja a folyadék behatolását a hálózatba. Amikor a papír folyadékkal érintkezik, hajlamosak a nagy üregekből a kisebbekbe mozogni a különböző kapilláris nyomásoknak megfelelően. Az oldószerek azonban gyorsan behatolhatnak a rostba, és befolyásolhatják a cellulóz lebomlását. Atalla javasolta, hogy a cellulóz dehidratációs folyamata elősegítse a molekuláris mobilitást a molekuláris szervezet szintjének fokozásához vezethet. Ez a molekuláris szervezet azonban korlátozza a rostok azon képességét, hogy rugalmas üzemmódban meghibásodás nélkül reagáljanak a stresszre . Az ebben a tanulmányban a cellulózpapírra vonatkozó szilárdsági eredmények ezen információkból álltak.

a szakítószilárdság értékelésekor figyelembe kell venni a töréskori papírszakadást is (nyúlás%). Ez azt jelzi, hogy a papír képes-e megfelelni a kívánt tulajdonságnak nem egyenletes húzófeszültség mellett. A minták (A-J) összehasonlító nyúlását (a jelentésnek megfelelően, szakadás % – ban) az 5.ábra mutatja. Általában a lapok nyújtási tulajdonságai általában ellentétesek a szakítószilárdsággal. Úgy tűnik, hogy az ismételt nedvesítés-szárítás valamilyen szinten befolyásolja a nyújtást a növekedésben és a csökkenésben, az oldószer típusától és a kezelési stádiumtól függ. Ez némileg meglepő, figyelembe véve, hogy a szilárdsági tulajdonságok jelentősen csökkentek minden kezelési körülmények között.

az 1. nedvesítési-szárítási szakasz után a legnagyobb nyújtásjavulást a G mintával (26,8%), majd az A mintával (13,2%), valamint a B, C, H, I és J mintákkal (4-8%) kismértékben hasonló nyújtásjavulást találtunk ebben a sorrendben. Az 5. nedvesítési-szárítási szakasz után azonban néhány papír lényegesen nagyobb nyújtást mutat, mint a kezeletlen és/vagy az alacsonyabban kezelt minták. A legnagyobb nyújtás, ezért javulás volt megfigyelhető az e mintával (59,5%), majd az I mintával (49.8%), J minta (28,7%), H minta (21%). Ezenkívül a B, C, D és F minták körülbelül 18-27% – os nyújtási veszteséget mutatnak a kontrollhoz képest.

a szilárdsági fejlemények, valamint a fizikai viselkedés a papír nagyon bonyolult, és számos tényezőtől függ, mint például a cellulóz szerkezetét, különösen a kristályos régió, és a H-kötés véletlenszerűen lefektetett hálózati elemek. De röviden, nyilvánvaló, hogy a lapok szilárdsági tulajdonságai jelentősen csökkennek a folyékony kezelésekkel, különösen savas környezetben (B és C), de úgy tűnik, hogy az alkáli (NaOH) hozzáadása mind az etanol, mind a metanol oldószerekhez kevésbé befolyásolja az erőveszteséget, még a különböző körülmények között megvalósított papírok bizonyos szintű javulása is.

a Simons stain egy gyakorlati technika a cellulózszálak pórusszerkezetének értékelésére, különösen az újrahasznosítási és pépesítési folyamatokban . További bizonyítékokkal szolgálhat a cellulóz makromolekula módosulásáról. Amikor két színezék (Direct Blue I és Fast Orange 15) keverékét alkalmazzák a szálakra, a kék és/vagy narancssárga festék a pórusmérettől függően képes felszívódni a szálakba. Különböző pórusméret-eloszlási tartományú szálak esetében a festett szál színe függhet a mindkét festék számára elérhető felület arányától. Mindkét festék kémiai szerkezetét a 6 .ábra mutatja.

a 2. táblázat a különböző körülményekből nyert papírminták és fénymikroszkóp alatt végzett festési tulajdonságaik összefoglalását mutatja. Felismerték, hogy a különböző körülményekből származó papírok változó intenzitású kék és narancssárga foltot mutattak. Ez a minősítés azonban nem tükrözi a mennyiségi méréseket, és az összehasonlítást csak az egyes kísérleti készleteken belül kell elvégezni.

az 1. nedvesítési-szárítási szakasz után, a B minta kivételével, más egyetlen oldószerrel kezelt minták (A, C, D) intenzív Világoskék-narancssárga színt mutatnak. Ezenkívül az EtOH, MeOH és NaOH (E-J) arányos keverékével kezelt papírminták különböző szintű közbenső narancssárga vagy sötét narancssárga színűek. Ez egyértelmű bizonyíték arra, hogy az alkáli Hozzáadás a savas állapothoz befolyásolja a szálak pórusméretének növekedését. Mivel a közvetlen kék I kisebb molekulamérettel rendelkezik (kb. 1 nm), és a cellulóz iránti affinitása gyengébb a Direct Orange 15-höz képest, amelynek nagyobb molekulamérete (5-36 nm) és erősebb affinitása van. De az 5. nedvesítési-szárítási szakasz után a minták többsége sötétkéktől Világoskék-narancssárga színűre festett, kivéve az F mintát (EtOH-NaOH, 1:3 térfogat szerint), amelyben a szálak közbenső narancsot és enyhén sötét narancsot festenek. Ez egyértelmű bizonyíték arra, hogy a savas oldószerekben a lúgkoncentráció növekedése hatással lehet a szál pórusméretének helyreállítására és a folyamatos szárítással és nedvesítéssel kevésbé káros hatásokra. A fentiekben már kifejtettük, hogy a közvetlen narancssárga 15 molekulák előnyösen adszorbeálhatók a szálfelületen, ahol a pórusméret megfelelő (pl. > 5 nm) a közvetlen narancssárga 15 molekulák eléréséhez. < 5 nm), ahol a közvetlen narancssárga 15 molekulák nem érhetők el, a közvetlen kék I molekulák adszorbeálhatók. Ebből adódóan, az adszorbeált közvetlen Narancs aránya 15 az adszorbeált közvetlen kék I-hez várhatóan a pórusszerkezet mutatójaként szolgál, kimondottan, a papír pórusméret-eloszlása. A Simons-festés eredményei általában korrelálnak a papírok szilárdságával és szorpciós tulajdonságaival (1-5.ábra).

a különböző szintű oldószerrel kezelt papírminták FTIR spektrumát 400-4000 cm−1 tartományban kaptuk. A 800-2000 cm-1 tartományba eső cellulózszerkezeti koncentrátum jellegzetes spektruma, valamint e tartomány főbb csúcsai azonban meghatározásra kerültek. A különböző oldószerrel kezelt papírok összehasonlító FTIR spektrumát az 5. ismétlődő szárítási-nedvesítési szakasz után a 7. ábra mutatja (a–g).

az összes spektrum multimodális abszorpciót mutat a 600-1000 cm−1 régióban a cellulóz –OH csoportok miatt. A síkon kívüli C-H rezgést 750 cm-1-nél rendelték hozzá. A 900-1150 cm-1-es sávot C-C-nek tulajdonítják a sík nyújtásából, C-C−O nyújtás 1060 cm-1-nél; C−O-C szimmetrikus nyújtás 1150 cm-1 (7a.ábra). Az oldószerrel kezelt minták spektruma (7d–f ábra) azonban a 800-1200 cm−1 tartományban nagyobb abszorpciót mutat a kezeletlen cellulózhoz képest, ahol egy összetettebb síkon belüli OH rezgés dominál. A kevésbé intenzív CH2-CH2-rezgések (1450-1700 cm−1), valamint a C-C és C-O-C csúcsterületek (7c, d, g ábra) azonban az oldószerrel indukált/szárított lánc módosulásával összefüggő új felületi kémia kialakulását jelzik. Young (1994) és Weise és Paulapuro (1996) azt találták, hogy a szárítás befolyásolja a mikroszálak és a cellulóz szerkezetében lévő keresztkötések közötti távolság csökkentését . Ez a módosítás hatással lehet a H-kötések szintje a cellulózban. A különböző oldószerekkel kezelt cellulózlemezek és a folyamatosan nedvesített-szárított ciklusok FTIR értékelésével kapott eredmény alátámasztja ezt az információt. Az FTIR-mérések alapján arra a következtetésre jutottak, hogy az oldószerdiffúzió során némi változás történt, a cellulóz szerkezetében pedig oldószer által indukált láncmódosítás történt.