PMC

rezultate și discuții

Figura 1 prezintă proprietățile de sorbție lichidă ale hârtiei care sunt tratate în apă (a), (anhidru) etanol (B), (anhidru) metanol (C), 1 n hidroxid de sodiu (D), până la cinci etape repetate de uscare și umectare. Se poate dezvălui că cea mai mare sorbție a avut loc cu proba D (230,5% în ciclul 1 și 179,8% în ciclul 5) urmată de proba a (182,3% în ciclul 1 și 170,6% în ciclul 5), proba B (109,4% în ciclul 1 și 97.6% în ciclul 5) și proba C (101,5% în ciclul 1 și, respectiv, 84,3% în ciclul 5). Cu toate acestea, repetarea uscării și umectării afectează de obicei scăderea absorbției lichide a foilor. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece un număr de cercetători au raportat deja o corelație clară între tratamentele chimice și proprietățile de sorbție pentru materialele celulozice .

aceste reduceri pot fi atribuite unei modificări a structurii fibrelor polimerice, cum ar fi legăturile de hidrogen legături încrucișate sau eliminarea siturilor de legătură H pentru lichide. Deoarece, toate lichidele utilizate în acest studiu au capacitatea de legare a hidrogenului și pot pătrunde în structura rețelei de hârtie, urmată de înlocuirea-OH pentru celuloză cu legături de hidrogen celulozic. Mai mult, închiderea porilor mai mari care nu se redeschid la rewetting poate fi afectată de forțe de tensiune superficială ridicată. Acest mecanism și forțele ulterioare de întărire a tulpinii pot fi sudate porii și pot rezista împotriva pătrunderii lichidului într-un anumit grad. Acestea sunt în acord cu rezultatele raportate de Wistara (1999) că fibrele uscate cu o capacitate inițială mai mare de umflare au o capacitate mai mică de a se revinde .

cu toate acestea, proba tratată cu hidroxid de sodiu 1 N (D) are o valoare de absorbție considerabil mai mare decât altele. După al 5-lea ciclu repetat de umezire-uscare, proba D prezintă o absorbție cu aproximativ 6% mai mare din proba A, 85% din proba B și, respectiv, 114% din proba C (Figura 1). Poate fi atribuită reorientării microfibrilelor și unei mai bune alinieri a lanțurilor de celuloză în structura rețelei de foi care promovează site-uri suplimentare de legare H pentru lichid. Das și Chakraborty (2006) s-a constatat că în timpul tratamentului alcalin, a avut loc o transformare a rețelei din celuloză-I în celuloză-II, iar hidroxidul de sodiu introduce modificări considerabile ale cristalinității și unghiului de orientare în structura celulozei . Acestea pot fi afectează regiunea mai puțin cristalină în celuloză, prin urmare, în continuare h-lipirea loc pentru lichide.

efectul marcat al adăugării de hidroxid de sodiu la etanol (B) în ceea ce privește sorbția hârtiei (E, F și G) este evident în Figura 2. Cea mai mare absorbție a fost obținută cu proba F (EtOH-NaOH 1:3 de vol) după ciclul 1 de umectare-uscare (185,7%) și alte tratamente care se degradează afectează sorbția lichidă a hârtiei, dar acestea sunt încă considerabil mai mari decât numai EtOH și cantitatea mai mică NaOH inclusiv sistemele. Eșantionul F a arătat o absorbție a lichidului cu aproximativ 40-70% mai mare comparativ cu eșantionul B (109,4%) la etape similare de umectare-uscare (Figura 2). Se pare că creșterea absorbției lichidului a fost strâns legată de conținutul de NaOH în sistemul EtOH și invers legată de stadiul de umectare-uscare.

proprietățile de sorbție ale hârtiei la amestecul proporțional de condiții de reacție metanol și hidroxid de sodiu sunt prezentate în Figura 3. Similar cu sistemul etanol-alcalin, cea mai mare absorbție de 162,3% a fost găsită și cu proba I (MeOH-NaOH 1:3 de vol), dar după a 5-a etapă de umectare-uscare. De asemenea, se poate observa că uscarea-umezirea prelungită afectează de obicei 2-10% proprietăți crescute de absorbție a lichidului pentru proba I. Cu toate acestea, se poate realiza că absorbția lichidului a fost corelată pozitiv cu conținutul de hidroxid de sodiu în sistemul de metanol.

aceste comparații între tratamente și rezultatele măsurate arată că răspunsul hidroxidului de sodiu al celulozei poate fi prezis destul de bine prin amestecul proporțional cu etanolul (Figura 2) și metanolul (Figura 3).

Rowell a raportat că interacțiunea dintre celulozice și lichidele organice a fost influențată în principal de pH-ul solventului, dimensiunea molară și capacitatea de legare a hidrogenului lichidului . Cu toate acestea, proprietățile variabile de sorbție ale foilor care au fost tratate cu amestecuri de etanol și metanol cu alcali, în condiții similare, arată în mod clar că absorbția lichidului în structura foii de hârtie este strâns legată de natura lichidului (pH) și de tensiunea superficială a acestuia, așa cum se arată în figurile 1-3. Mai mult, a propus deja că proprietățile de umflare și sorbție ale hârtiei în condiții alcaline au fost mai mari decât condițiile acide . Acest lucru este probabil legat de deschiderile fibrililor, care influențează capacitatea de umflare a celulozei, este un factor important pentru îmbunătățirea potențialului de absorbție al fibrelor.

Watanabe și grupul său au speculat că aproximativ 3-7% în greutate din apa adsorbită a fost responsabilă pentru stabilizarea rețelei de legături H la suprafața apei de celuloză . Dar, toate sistemele de solvenți utilizate în acest studiu au potențial de legare a hidrogenului și pot pătrunde în structura web, urmată de înlocuirea-OH pentru celuloză cu legături de hidrogen celulozic. Prin urmare, legăturile H inter și intrachain ale celulozei pot fi formate prin molecule de solvent în timpul absorbției.

rezistența la tracțiune a hârtiei au folosit de obicei ca o indicație a tratamentului afectează pe rezistența hârtiei derivate din factori, cum ar fi puterea de fibre, și lipirea. Rezistența comparativă la tracțiune a zece hârtii tratate cu solvent (a-J) diferite, comparativ cu martor, care au o rezistență de 37,3 n/mm, sunt prezentate în Figura 4. Toate condițiile de tratament aduc aparent un efect de scădere a rezistenței pentru hârtii. După etapa 1 de umezire-uscare, cea mai mare pierdere de rezistență a fost observată la proba a (16,8 n/mm, -54,9%) urmată de proba B (18,0 n/mm, -51,3%), respectiv proba F (18,6 n/mm, -50%). În general, umezirea continuă-uscarea favorizează pierderea în continuare a rezistenței hârtiei. Cu toate acestea, cea mai mică rezistență găsită cu probele B și D (13,0 n/mm, -65%) după a 5-a etapă repetată de umezire-uscare. Este evident că condițiile de tratament au fost prea severe, astfel proprietățile de rezistență ale hârtiei au scăzut brusc. Mai mult, adăugarea de alcali atât la etanol, cât și la metanol (E-J) pare să aibă un efect mai mic asupra pierderii de rezistență pe hârtii.

structura poroasă a foilor are o influență majoră asupra pătrunderii unui lichid în rețea. Când hârtia intră în contact cu lichide, acestea tind să se deplaseze de la cavități mari la cele mai mici, în funcție de diferitele lor presiuni capilare. Cu toate acestea, solvenții pot pătrunde rapid în fibre și pot afecta degradarea celulozei. Atalla a propus ca procesul de deshidratare a celulozei să promoveze mobilitatea moleculară ar putea duce la creșterea nivelurilor de organizare moleculară. Cu toate acestea, această organizare moleculară limitează capacitatea fibrelor de a răspunde la stres într-un mod elastic fără eșec . Rezultatele de rezistență găsite pentru hârtia de celuloză în acest studiu au constat în aceste informații.

la evaluarea rezistenței la tracțiune, trebuie luată în considerare și întinderea hârtiei la rupere (alungire%). Este indicativ al capacității hârtiei de a se conforma unei proprietăți dorite sub tensiune de tracțiune neuniformă. Întinderea comparativă (după cum s-a raportat, alungirea la pauză %) a probelor (A-J) sunt prezentate în Figura 5. În general, proprietățile de întindere ale foilor se comportă de obicei contrar rezistenței la tracțiune. Se pare că umezirea repetată-uscarea unui anumit nivel afectează întinderea fie în creștere, fie în scădere depinde de tipul de solvent și de stadiul de tratament. Acest lucru este oarecum surprinzător, având în vedere că proprietățile de rezistență sunt reduse considerabil cu toate condițiile de tratamente.

după etapa 1 de umezire-uscare, cea mai mare îmbunătățire a întinderii a fost găsită cu proba G (26,8%) urmată de proba a (13,2%) și îmbunătățiri marginale similare ale întinderii cu probele B, C, H, I și J (4-8%), în această ordine. Cu toate acestea, după a 5-a etapă de umezire-uscare, unele lucrări prezintă o întindere considerabil mai mare decât probele netratate și/sau mai mici tratate. Cea mai mare întindere, prin urmare, îmbunătățirea a fost observată la proba E (59,5%) urmată de proba I (49.8%), proba J (28,7%), proba H (21%), respectiv. Mai mult, probele B, C, D și F prezintă aproximativ 18-27% pierdere de întindere comparativ cu controlul.

dezvoltările de rezistență, precum și comportamentul fizic al hârtiei sunt foarte complicate și depind de mulți factori, cum ar fi structura celulozei, în special pe regiunea cristalină și legarea H a elementelor de rețea așezate aleatoriu. Dar, pe scurt, este evident că proprietățile de rezistență ale foilor scad considerabil cu tratamentele lichide, în special în mediul acid (B și C), dar adăugarea de alcali (NaOH) atât la etanol, cât și la solvenții de metanol pare să aibă un efect mai mic asupra pierderii de rezistență, chiar și o îmbunătățire a nivelului pe întinderea hârtiilor realizate în diferite condiții.

Simons stain este o tehnică practică pentru evaluarea structurii porilor fibrelor celulozice, în special în procesele de reciclare și pulping . Poate furniza dovezi suplimentare privind modificarea macromoleculei de celuloză. Când un amestec de doi coloranți (direct Blue I și fast Orange 15) este aplicat fibrelor, colorantul albastru și/sau portocaliu se poate absorbi în fibre cu dimensiunea porilor în funcție. Pentru fibrele cu o gamă variată de distribuție a mărimii porilor, culoarea fibrei colorate poate depinde de raportul dintre suprafața accesibilă ambelor coloranți. Structurile chimice ale ambilor coloranți sunt prezentate în Figura 6 .

Tabelul 2 prezintă un rezumat al probelor de hârtie obținute din diferite condiții și proprietățile lor de colorare la microscopul luminos. Se realizează că hârtiile obținute din diferite condiții au prezentat intensități variabile de pată albastră și portocalie. Cu toate acestea, această evaluare nu reflectă nicio măsurătoare cantitativă și că comparația ar trebui făcută numai în cadrul fiecărui set experimental.

după etapa 1 de umectare-uscare, cu excepția probei B, alte probe tratate cu un singur solvent (a, C, D) prezintă o culoare intensă albastru-portocaliu deschis. Mai mult, probele de hârtie tratate cu amestecuri proporționale de EtOH, MeOH și NaOH (E-J) au diferite niveluri intermediare de culoare portocalie până la portocaliu închis. Aceasta este o dovadă clară că adăugarea alcalină la efectele stării acide asupra creșterii dimensiunii porilor fibrelor. Deoarece Albastru Direct I are o dimensiune moleculară mai mică (aprox. 1 nm) și o afinitate mai slabă pentru celuloză comparativ cu portocala directă 15, care are o dimensiune moleculară mai mare (5-36 nm) și o afinitate mai puternică. Dar după a 5-a etapă de umezire-uscare, majoritatea probelor au colorat culoarea albastru închis până la albastru-portocaliu deschis, cu excepția eșantionului F (EtOH-NaOH, 1:3 de vol) pe care fibrele le colorează portocaliu intermediar și portocaliu ușor închis. Aceasta este o dovadă clară că creșterea concentrației alcaline în solvenții acizi poate fi efecte restaurarea dimensiunii porilor fibrei și efecte mai puțin dăunătoare cu uscare continuă și umectare. S-a afirmat deja mai sus că, moleculele direct Orange 15 pot fi adsorbite preferențial pe suprafața fibrei unde dimensiunea porilor este adecvată (de exemplu, > 5 nm) pentru accesarea moleculelor direct Orange 15. Pentru porii capilari mici (de exemplu < 5 nm), unde moleculele portocalii directe 15 nu sunt accesibile, moleculele albastre directe I pot fi adsorbite. Prin urmare, se anticipează că raportul dintre portocaliu direct adsorbit 15 și albastru direct adsorbit i va servi ca indicator al structurii porilor, în special, distribuția populației dimensiunii porilor a hârtiei. Rezultatele petelor Simons sunt de obicei corelate cu proprietățile de rezistență și sorbție ale hârtiei (figurile 1-5).

spectrele FTIR ale diferitelor probe de hârtie tratate cu solvent au fost obținute în intervalul 400-4000 cm−1. Cu toate acestea, spectrul caracteristic al concentratului de structură de celuloză în intervalul 800-2000 cm−1 și vârfurile majore din acest interval au fost identificate. Spectrele FTIR comparative ale diferitelor hârtii tratate cu solvent după a 5-a etapă de uscare-umezire repetată sunt prezentate în Figura 7 (A–g).

toate spectrele prezintă absorbție multimodală în regiunea 600-1000 cm –1 datorită grupărilor-OH din celuloză. Vibrația C-H în afara planului a fost atribuită la 750 cm−1. Banda la 900-1150 cm-1 este atribuită C-C din întinderea planului, C-C−o întinzându-se la 1060 cm-1; C−O-C întindere simetrică 1150 cm-1 (Figura 7a). Cu toate acestea, spectrele probelor tratate cu solvent (figura 7d–f) prezintă o absorbție mai mare în regiunea 800-1200 cm−1 în raport cu Celuloza netratată, unde o vibrație OH mai complexă în plan este dominantă. Cu toate acestea, vibrațiile CH2–CH2 mai puțin intense (1450-1700 cm – 1) și zonele de vârf C−C și C-O-C (figura 7c, d, g) indică generarea unei noi chimii de suprafață care este legată de modificarea lanțului indus de solvent/uscat. Young (1994) și Weise și Paulapuro (1996) au descoperit că uscarea afectează scăderea distanței dintre microfibrile și legăturile încrucișate din structura celulozei . Această modificare poate fi efecte nivel de legături H în celuloză. Rezultatul găsit cu evaluarea FTIR a foilor de celuloză tratate cu diverși solvenți și cicluri uscate continuu umezite, susțin această informație. Pe baza măsurătorilor FTIR s-a ajuns la concluzia că au avut loc unele modificări în timpul difuziei solventului, iar modificarea lanțului indusă de solvent a avut loc în structura celulozei.