PMC

Risultati e discussione

La figura 1 mostra le proprietà di assorbimento liquido delle carte trattate in acqua (A), etanolo (anidro) (B), metanolo (anidro) (C), idrossido di sodio 1 N (D), fino a cinque fasi di essiccazione e bagnatura ripetute. Si può rivelare che il più alto assorbimento si è verificato con il campione D (230,5% nel 1 ° ciclo e 179,8% nel 5 ° ciclo) seguito dal campione A (182,3% nel 1 ° ciclo e 170,6% nel 5 ° ciclo), dal campione B (109,4% nel 1 ° ciclo e 97.6% nel 5 ° ciclo) e campione C (101,5% nel 1 ° ciclo e 84,3% nel 5 ° ciclo), rispettivamente. Tuttavia, ripetere l’essiccazione e la bagnatura di solito influisce sulla diminuzione dell’assorbimento di liquidi dei fogli. Questo non è sorprendente perché un certo numero di ricercatori hanno già riportato una correlazione definita tra trattamenti chimici e proprietà di assorbimento per i materiali cellulosici .

Queste riduzioni possono essere attribuite a un cambiamento nella struttura del polimero della fibra, quali i legami a idrogeno i collegamenti incrociati o l’eliminazione dei siti di legame H per i liquidi. Perché tutti i liquidi utilizzati in questo studio hanno capacità di legame con l’idrogeno e possono penetrare nella struttura della rete cartacea, seguita dalla sostituzione di-OH per i legami idrogeno da cellulosa a cellulosa. Inoltre, la chiusura di pori più grandi che non si riaprono al riavvolgimento può essere influenzata da elevate forze di tensione superficiale. Questo successivo meccanismo di indurimento della deformazione e le forze possono essere saldati i pori e resistere contro la penetrazione di liquido un certo grado. Questi sono in buon accordo con i risultati riportati da Wistara (1999) che le fibre essiccate con maggiore capacità di rigonfiamento iniziale hanno una minore capacità di risistemazione .

Tuttavia, il campione trattato con idrossido di sodio 1 N (D) ha un valore di assorbimento notevolmente più elevato rispetto ad altri. Dopo il 5 ° ciclo ripetuto di bagnatura-asciugatura, il campione D mostra circa il 6% di assorbimento superiore dal campione A, l ‘ 85% dal campione B e il 114% dal campione C, rispettivamente (Figura 1). Può essere attribuito al riorientamento delle microfibrille e ad un migliore allineamento delle catene di cellulosa nella struttura della rete di fogli che promuovono ulteriori siti di H-bonding per il liquido. Das e Chakraborty (2006) hanno scoperto che durante il trattamento con alcali, si è verificata una trasformazione reticolare da cellulosa-I a cellulosa-II e l’idrossido di sodio introduce notevoli cambiamenti nella cristallinità e nell’angolo di orientamento all’interno della struttura della cellulosa . Questi possono essere colpisce meno regione cristallina in cellulosa quindi ulteriore H-bonding posto per liquidi.

Il marcato effetto dell’aggiunta di idrossido di sodio all’etanolo (B) in termini di assorbimento di carta (E, F e G) è chiaramente evidente nella Figura 2. Il più alto assorbimento è stato ottenuto con il campione F (EtOH-NaOH 1:3 per vol) dopo il 1 ° ciclo di bagnatura-essiccazione (185,7%) e ulteriori trattamenti decresing influisce sull’assorbimento liquido delle carte, ma sono ancora notevolmente superiori solo EtOH e quantità inferiore NaOH compresi i sistemi. Il campione F ha mostrato circa il 40-70% di assorbimento del liquido più elevato rispetto al campione B (109,4%) in fasi di bagnatura-essiccazione simili (Figura 2). Sembrava che l’aumento dell’assorbimento del liquido fosse strettamente correlato al contenuto di NaOH nel sistema EtOH e inversamente correlato alla fase di bagnatura-essiccazione.

Le proprietà di assorbimento di carte a miscela proporzionale di metanolo e idrossido di sodio condizioni di reazione sono mostrati in Figura 3. Simile al sistema etanolo-alcali, il più alto assorbimento del 162,3% è stato trovato anche con il campione I (MeOH-NaOH 1:3 da vol) ma dopo la 5a fase di bagnatura-essiccazione. Si può anche osservare che l’essiccazione-bagnatura estesa di solito influisce sulle proprietà di assorbimento del liquido aumentate del 2-10% per il campione I. Tuttavia, si può comprendere che l’assorbimento del liquido è stato correlato positivamente con il contenuto di idrossido di sodio nel sistema di metanolo.

Questi confronti tra i trattamenti e i risultati misurati rivelano che la risposta di idrossido di sodio della cellulosa può essere predetta abbastanza bene dalla miscela proporzionale con etanolo (Figura 2) e metanolo (Figura 3).

È stato riportato da Rowell che l’interazione tra cellulosica e liquidi organici era principalmente influenzata dal pH del solvente, dalla dimensione molare e dalla capacità di legame dell’idrogeno del liquido . Tuttavia, le proprietà di assorbimento variabile di fogli che trattati con miscele di etanolo e metanolo con alcali, a condizioni simili rivela chiaramente che l’assorbimento del liquido nella struttura foglio di carta strettamente correlata alla natura del liquido (pH) e la sua tensione superficiale come rivelato in Figure 1-3. Inoltre, ha già proposto che le proprietà di gonfiore e assorbimento delle carte in condizioni alcaline fossero superiori alle condizioni acide . Questo è probabilmente legato alle aperture di fibrilla, che influenza la capacità di gonfiore della cellulosa, è un fattore importante per migliorare il potenziale di assorbimento delle fibre.

Watanabe e il suo gruppo hanno ipotizzato che circa il 3-7% in peso di acqua adsorbita fosse responsabile della stabilizzazione della rete di legame H sulla superficie dell’acqua cellulosica . Tuttavia, tutti i sistemi solventi utilizzati in questo studio hanno un potenziale di legame con l’idrogeno e possono penetrare nella struttura del nastro, seguita dalla sostituzione di-OH per i legami idrogeno da cellulosa a cellulosa. Quindi, i legami H inter e intrachain della cellulosa possono essere formati da molecole di solvente durante l’assorbimento.

La resistenza alla trazione delle carte è solitamente utilizzata come indicazione degli effetti del trattamento sulla resistenza della carta derivata da fattori quali la resistenza della fibra e il legame. Le resistenze alla trazione comparative di dieci diverse carte trattate con solvente (A-J) rispetto al controllo che hanno una resistenza di 37,3 N/mm sono mostrate nella Figura 4. Tutte le condizioni di trattamento apparentemente provocano un effetto di diminuzione della forza per le carte. Dopo la 1a fase di bagnatura-essiccazione, la più alta perdita di resistenza è stata osservata con il campione A (16,8 N/mm, -54,9%) seguito dal campione B (18,0 N/mm, -51,3%), il campione F (18,6 N/mm, -50%), rispettivamente. Generalmente, l’essiccazione a bagnatura continua favorisce un’ulteriore perdita di forza delle carte. Tuttavia, la forza più bassa trovata con il campione B e D (13.0 N/mm, -65%) dopo 5th ripetendo la fase di bagnatura-essiccazione. È evidente che le condizioni di trattamento erano troppo severe, quindi le proprietà di resistenza delle carte diminuivano drasticamente. Inoltre, l’aggiunta di alcali sia all’etanolo che al metanolo (EJ) sembra avere meno effetti sulla perdita di resistenza sulle carte.

La struttura porosa dei fogli ha una grande influenza sulla penetrazione di un liquido nella rete. Quando la carta viene a contatto con i liquidi, tendono a spostarsi da grandi cavità a quelle più piccole in base alle loro diverse pressioni capillari. Tuttavia, i solventi possono penetrare rapidamente nella fibra e influenzare la degradazione della cellulosa. È stato proposto da Atalla che il processo di disidratazione della cellulosa promuovere la mobilità molecolare potrebbe portare a migliorare i livelli di organizzazione molecolare. Tuttavia, questa organizzazione molecolare limita la capacità delle fibre di rispondere allo stress in modo elastico senza guasti . I risultati di resistenza trovati per la carta di cellulosa in questo studio consistevano con queste informazioni.

Nel valutare la resistenza alla trazione, deve essere considerato anche il tratto di carta a rottura (allungamento%). È indicativo della capacità della carta di conformarsi a una proprietà desiderata sotto stress di trazione non uniforme. L’allungamento comparativo (come riportato, allungamento a rottura %) dei campioni (A-J) è mostrato nella Figura 5. In generale, le proprietà di allungamento dei fogli di solito si comportano in contrasto con la resistenza alla trazione. Sembra che la ripetuta bagnatura-essiccazione di un certo livello influenzi l’allungamento sia in aumento che in diminuzione dipende dal tipo di solvente e dalla fase di trattamento. Questo è un po ‘ sorprendente, considerando che le proprietà di resistenza sono notevolmente diminuite con tutte le condizioni di trattamento.

Dopo la 1a fase di bagnatura-asciugatura, il miglioramento dell’allungamento più elevato è stato riscontrato con il campione G (26,8%) seguito dal campione A (13,2%) e miglioramenti dell’allungamento marginalmente simili con i campioni B, C, H, I e J (4-8%), in quest’ordine. Tuttavia, dopo la 5a fase di bagnatura-asciugatura, alcune carte mostrano un allungamento notevolmente superiore rispetto ai campioni non trattati e/o trattati in modo inferiore. Il tratto più alto, quindi, il miglioramento è stato osservato con il campione E (59,5%) seguito dal campione I (49.8%), campione J (28,7%), campione H (21%), rispettivamente. Inoltre, i campioni B, C, D e F mostrano circa il 18-27% di perdita di stirata rispetto al controllo.

Gli sviluppi della forza e il comportamento fisico delle carte sono molto complicati e dipendono da molti fattori come la struttura della cellulosa, in particolare sulla regione cristallina, e il legame H di elementi di rete disposti in modo casuale. Ma in breve, è evidente che le proprietà di resistenza dei fogli diminuiscono notevolmente con i trattamenti liquidi, specialmente in ambiente acido (B e C), ma l’aggiunta di alcali (NaOH) ai solventi sia etanolo che metanolo sembra avere meno effetto sulla perdita di resistenza, anche qualche miglioramento del livello sul tratto di carte realizzato in varie condizioni.

La macchia Simons è una tecnica pratica per valutare la struttura dei pori delle fibre di cellulosa, specialmente nei processi di riciclaggio e spappolamento . Può fornire ulteriori prove sulla modifica della macromolecola di cellulosa. Quando una miscela di due coloranti (Direct Blue I e Fast Orange 15) viene applicata alle fibre, il colorante blu e/o arancione può assorbire le fibre con la dimensione dei pori a seconda. Per le fibre con una varia gamma di distribuzione delle dimensioni dei pori, il colore della fibra macchiata può dipendere dal rapporto di superficie accessibile a entrambi i coloranti. Le strutture chimiche di entrambi i coloranti sono mostrate nella Figura 6 .

La tabella 2 mostra un riassunto dei campioni di carta ottenuti da varie condizioni e le loro proprietà di colorazione al microscopio ottico. Si è reso conto che le carte ottenute da diverse condizioni mostravano intensità variabili di macchia blu e arancione. Tuttavia, questa valutazione non riflette alcuna misurazione quantitativa e che il confronto dovrebbe essere effettuato solo all’interno di ciascun insieme sperimentale.

Dopo la 1a fase di bagnatura-essiccazione, ad eccezione del campione B, altri campioni trattati con solvente singolo (A, C, D) mostrano un intenso colore azzurro-arancio. Inoltre, i campioni di carta trattati con miscele proporzionali di EtOH, MeOH e NaOH (EJ) hanno vari livelli intermedi da arancione a arancione scuro. Ciò è prova chiara che l’aggiunta dell’alcali agli effetti acidi di circostanza sulla dimensione del poro di aumento delle fibre. Perché Direct Blue I ha una dimensione molecolare più piccola (ca. 1 nm) e un’affinità più debole per la cellulosa rispetto all’arancia diretta 15, che ha una dimensione molecolare più grande (5-36 nm) e un’affinità più forte. Ma dopo 5 ° fase di bagnatura-essiccazione, la maggior parte dei campioni macchiato blu scuro alla luce di colore blu-arancio con l’eccezione del campione F (EtOH-NaOH, 1:3 da vol) che le fibre macchie arancione intermedio e arancione leggermente scuro. Questa è una chiara prova che l’aumento della concentrazione di alcali nei solventi acidi può essere il ripristino degli effetti della dimensione dei pori della fibra e gli effetti meno dannosi con l’essiccazione e la bagnatura continue. Ha già affermato in precedenza che le molecole Direct Orange 15 possono essere adsorbite preferenzialmente sulla superficie della fibra dove la dimensione dei pori è appropriata (ad esempio > 5 nm) per accedere alle molecole Direct Orange 15. Per i piccoli pori capillari (ad esempio < 5 nm), dove le molecole Direct Orange 15 non sono accessibili, le molecole Direct Blue I possono essere adsorbite. Pertanto, si prevede che il rapporto tra l’arancione diretto adsorbito 15 e il blu diretto adsorbito I funga da indicatore della struttura dei pori, in particolare della distribuzione della popolazione delle dimensioni dei pori della carta. I risultati delle macchie di Simons sono solitamente correlati con le proprietà di resistenza e assorbimento delle carte (Figure 1-5).

Gli spettri FTIR di vari campioni di carta trattati con solvente sono stati ottenuti nell’intervallo 400-4000 cm−1. Tuttavia, è stato identificato lo spettro caratteristico del concentrato di struttura della cellulosa nell’intervallo 800-2000 cm−1 e i picchi principali in questo intervallo. Gli spettri FTIR comparativi di varie carte trattate con solvente dopo la 5a fase di asciugatura-bagnatura ripetuta sono mostrati nella Figura 7 (a–g).

Tutti gli spettri presentano assorbimento multimodale nella regione 600-1000 cm-1 a causa dei gruppi-OH nella cellulosa. La vibrazione C-H fuori piano è stata assegnata a 750 cm-1. La banda a 900-1150 cm-1 è attribuita a C-C fuori dal piano che si estende, C-C-O che si estende a 1060 cm-1; C−O-C che si estende simmetricamente 1150 cm-1 (Figura 7a). Tuttavia, gli spettri dei campioni trattati con solvente (Figura 7d–f) mostrano un maggiore assorbimento nella regione 800-1200 cm−1 rispetto alla cellulosa non trattata, dove è dominante una vibrazione OH in-plane più complessa. Tuttavia, le meno intense vibrazioni CH2–CH2 (1450-1700 cm−1) e le aree di picco C-C e C-O-C (Figura 7c, d, g) indicano la generazione di nuova chimica superficiale che è correlata alla modifica della catena indotta da solventi/essiccati. Young (1994) e Weise e Paulapuro (1996) hanno scoperto che l’essiccazione influisce sull’abbassamento della distanza tra microfibrille e legami incrociati nella struttura della cellulosa . Questa modifica può essere il livello di effetti di H-legami in cellulosa. Il risultato trovato con la valutazione FTIR di fogli di cellulosa trattati con vari solventi e cicli continuamente bagnati-essiccati, supporta queste informazioni. Sulla base delle misurazioni FTIR si è concluso che alcune modificazioni erano avvenute durante la diffusione del solvente e che la modificazione della catena indotta dal solvente si era verificata nella struttura della cellulosa.