1 Катедра по машинно и производствено инженерство, Инженерен факултет, Университет Малайзия Саравак, 94300 Кота Самарахан, Саравак, Малайзия

синтез

2 Universiti Teknologi MARA, Kota Samarahan, Саравак, Малайзия

3 Universiti Teknologi MARA, Шах Алам, Селангор, Малайзия

Резюме

Бамбуковата целулоза се приготвя чрез химичен процес, включващ депарафинизация, делигнификация и процес на мерсеризация. Бяха анализирани четири проби, а именно зелено бамбуково влакно (GBF), депарафинирано бамбуково влакно (DBF), делигнизирано бамбуково влакно (DLBF) и целулозно влакно (CF). Анализът FTIR и TGA потвърждава отстраняването на хемицелулоза и лигнин в крайния етап на процеса. Резултатите от FTIR разкриват, че групата D-целулоза OH се е появила в 1639 cm -1 област. SEM микрофотографията показа, че мерсеризацията води до фибрилация и счупване на влакното на по-малки парчета, които насърчават ефективната повърхност, достъпна за контакт. Методът Barrer, Joiyner и Halenda (BJH) потвърди, че ефективната повърхност на CF е два пъти по-голяма в сравнение с GBF. CF показа най-висока енергия на активиране в сравнение с GBF. Това показва, че CF е бил термично стабилен.

1. Въведение

През последните години са извършени много изследователски работи за използването на целулозни влакна като подсилващ материал за композити. Това се дължи главно на тяхната висока якост и твърдост, съчетани с ниско тегло и биоразградимост. Прилагането на целулозни нановолокна в полимерна армировка е сравнително нова област на изследване [1]. Целулозните влакна са най-разпространената възобновяема суровина за производството на композитни материали. Според Habibi et al. (2010), годишното производство на целулоза е повече от 7,5 × 10 10 тона [2]. Независимо от източниците, целулозата се състои от високомолекулен хомополимер на β-1,4-свързани анхидро-D-глюкозни единици. Повтарящият се сегмент е димер на глюкоза, наречен целобиоза [3].

Целулозните влакна имат определени недостатъци, включително вариации в качеството, абсорбция на влага и слаба съвместимост с хидрофобната полимерна матрица. Липсата на добра повърхностна адхезия, ниска точка на топене и лоша устойчивост на влага ограничават използването на растителни целулозни влакна. Следователно е необходима предварителна обработка, за да се модифицира повърхността на влакната. Химическата предварителна обработка ограничава процеса на абсорбиране на влага и увеличава грапавостта на повърхността [4]. Сред различните налични предварителни обработки ацетилирането, мерсеризацията, пероксидът, бензоилирането, кополимеризацията на присадката и третирането с бактериална целулоза са най-добрите методи за повърхностна модификация на влакната. Например, мерсеризацията води до разпадане на сноп влакна на по-малки влакна. Това лечение също така ефективно премахва лигнин и хемицелулоза. Мерсеризацията увеличава броя на възможните реактивни места и позволява по-добро овлажняване на влакната [4]. В резултат на това мерцеризацията има дълготраен ефект върху механичните свойства на влакната, главно върху якостта и твърдостта на влакната [5].

Анализът на повърхностната площ се извършва по метода BJH, разработен от Barrer, Joiyner и Halenda. Този метод се използва широко за получаване на обема на мезопорите и разпределението на размера на мезопорите [6]. Този метод определя площта на порите и специфичния обем на порите, като използва техники на адсорбция и десорбция. Изотерма на адсорбция се получава чрез измерване на количеството газ, адсорбирано в широк диапазон от относителни налягания при постоянна температура (77 K), като се използва течен азот. И обратно, изотермите на десорбция се постигат чрез измерване на газ, отстранен при намаляване на налягането.

На остров Борнео бамбукът е бързо растящ вид и възобновяем ресурс с висок добив. Бамбукът е евтин, бързо растящ и лесно достъпен, има сравними физични и механични свойства с дървото и може да бъде обработен по съществуващите технологии [7]. Характеристиката на бързия растеж на бамбука е предимство за неговото използване. Регионът в Азия и Океания е най-богатият производител на бамбук с около 65% от общите световни бамбукови ресурси, които също включват 80% от видовете бамбук в света [8, 9].

Целта на това проучване е да се съсредоточи върху получаването на целулозни влакна от зелен бамбук чрез механичен процес и химическа обработка. Продуктът от всеки етап се характеризира и анализира. Ефектите от всеки етап на подготовка също са внимателно изследвани и сравнени, за да се получат оптимизирани резултати от синтеза.

2. Материали и методи

2.1. Материал

Като суровина за това проучване са използвани бамбукови влакна. Търговската целулоза е получена от Sigma Aldrich Малайзия. Химикалите, използвани за производството на целулозни нановолокна, са толуен (Sigma Aldrich, САЩ), етанол (Sigma Aldrich), водороден пероксид (Qeric), ледена оцетна киселина (Ensure), титанов (IV) оксид (JT Baker) и натриев хидроксид (Merck KgaA). Всички използвани химикали са с аналитичен клас.

2.2. Методи
2.2.1. Подготовка от бамбукови влакна

Бамбукът е получен от Изследователския институт по горите, Саравак, Малайзия. Приготвен бе зелен бамбуков връх с дължина 1 метър. След това беше смлян с помощта на машина за планиране, за да се получат чипове и прахове, с изключение на междувъзлия. Тези смеси от чипове и прахове се поставят в сушилня при 70 ° С за 72 часа, за да изсъхнат. Изсушената във фурната проба се смила и пресява с помощта на 600 μm размер сивер. 600-те μm влакна с размер на окото са използвани за синтеза на целулозни влакна. Тази проба е означена като зелено бамбуково влакно (GBF).

2.2.2. Приготвяне на целулоза от бамбукови влакна

Обезпаразитяване на бамбукови влакна. 400 ml толуен и 200 ml етанол се пълнят в кръгла колба, за да се получи толуен-етанол в съотношение 2: 1. Кръглата колба се поставя върху нагревателен елемент. Екстрактор на Soxhlet беше поставен върху кипящата колба и фиксиран плътно с помощта на ретортна стойка. 10 g GBF се загребват в мембранна тръба и след това се поставят в екстракционния напръстник. Кондензатор Liebig се поставя върху екстрактора и се закрепва плътно. Температурата на нагревателния елемент се наблюдава с помощта на цифров термометър и се поддържа на 250 ° C.

Процесът на екстракция продължи, докато цветната смес изчезне. Процесът беше 2 часа с приблизително 10-12 цикъла на екстракция. Екстракционният напръстник се изважда с помощта на пинсета. Продуктът се излива в бехерова чаша и се разбърква със стъклена пръчка, като се добавя смес от толуен-етанол. Крайният продукт се филтрира с помощта на филтърна фуния с филтърна хартия. Разпределя се равномерно с помощта на стъклена пръчка върху филтърна хартия. След това се поставя във фурна, настроена на 70 ° C за сушене през нощта, и се съхранява за процесите на делигнификация. Изсушената проба се идентифицира като депарафинизирани бамбукови влакна (DBF).

Делигнификация на бамбукови влакна. Разтворът за делигнификация се приготвя, като се използват 82,3 g от 35 тегл.% Водороден пероксид (H2O2) и 106,2 g от 99,8 тегл.% Оцетна киселина (CH3COOH) в присъствието на титанов (IV) оксиден катализатор. 30 g суха проба от DBF се претеглят и се потапят в разтвор за делигнификация в колба с кръгло дъно. Колбата се поставя върху нагревателния елемент и се загрява до 130 ° C.

След 2 часа нагревателят беше изключен и охладен до стайна температура. След това обработеният продукт се филтрува с помощта на колба на Buchner и се изплаква с дейонизирана (DI) вода, докато нивото на рН достигне 7 и се суши при 70 ° С в продължение на 24 часа. Изсушената проба се поставя в бутилка и се съхранява на тъмно и хладно място за алкална обработка. Пробата е идентифицирана като делигнифицирано бамбуково влакно (DLBF).

Мерсеризация. DLBF накрая се потапя в алкален разтвор за разтваряне на пектина и хемицелулозите. 6 wt% натриев хидроксид се използва за обработка на DLBF в колба при стайна температура. Сместа се разбърква с помощта на автошакер при 150 об/мин, загрява се до 80 ° С в продължение на 2 часа и се спира след 8 часа разбъркване. Сместа се изплаква непрекъснато с DI вода, докато продуктът достигне рН 7. След това обработеният продукт се филтрира с помощта на колба на Buchner, изплаква се с DI вода, докато нивото на рН достигне 7, и се суши чрез замразяване при -85 ° C в продължение на 48 часа.

2.2.3. Получаване на целулоза чрез механично мъждене

След това целулозата се смила с помощта на срязваща машина за 30 минути. Този фин прах се нарича целулозно влакно (CF). Фигура 5 показва обобщението на потока от приготвяне на целулоза.

2.2.4. Характеристика на целулозата

Инфрачервена спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR). Инфрачервените спектри бяха получени с помощта на спектрометър Shimazu FTIR модел IRAFFINITY-1 CE. Спектрите са взети с разделителна способност 4 cm -1, с общо 60 сканирания за всяка проба. Обхватът на пропускане на сканиранията беше 600–4000 cm -1 .

Сканираща електронна микроскопия (SEM). Пробите от бамбукови влакна се сушат под вакуум в продължение на 24 часа при 70 ° C, притискат се върху въглеродна лента, залепена към повърхността на държача за проби, и се разпръскват с титан. Изобразяването на всяка проба беше направено с помощта на сканиращ електронен микроскоп Hitachi M-3030. Всички изображения са направени при ускоряващо напрежение 5 kV с увеличение от 1500 пъти.

Анализ на Barrer, Joiyner и Halenda (BJH). Пробите от бамбукови влакна се сушат в продължение на 24 часа при 70 ° С и се вкарват в капилярна тръба. Продължителността на отработените газове е приблизително 7 часа с крайна температура на изходящите газове от 350 ° C. След процеса на изпускане на газове, пробата се анализира с помощта на автоматизиран инструмент за сорбция на газ Nova Quantachrome 4200e в продължение на 1,5 часа в широк диапазон от относителни налягания при постоянна температура (77 K), като се използва течен азот.

Термогравиметричен анализ (TGA). Динамичните термогравиметрични измервания бяха извършени с помощта на инструмент Shimadzu DTG 60H. Температурните програми за динамични тестове се изпълняват от околната температура 25 ° C до 700 ° C. Всички измервания са направени под азотен поток (20 ml/min), като се поддържа постоянна скорост на нагряване от 10 ° C min -1 и се използва алуминиев тигел с дупка.

3. Резултати и дискусии

3.1. FT-IR анализ

Промените в състава на GBF са изследвани чрез FTIR спектроскопия.

Фигура 1 (а) показва, че пиковата интензивност при 1514 cm -1 от спектъра на GBF се дължи на разтягащата вибрация C = C в ароматния пръстен на лигнин. Целулозните влакна (CF) обаче не показват C = C разтягане в тази област. Това показва, че лигнинът е бил добре отстранен чрез химичен процес [10–12].