Различные виды целлюлозы: Виды целлюлозы

Содержание

Виды целлюлозы

Виды целлюлозы

Сырьем для производства древесной массы и целлюлозы является щепа технологическая.

Технологическая щепа образуется из древесины несколькими способами:

  1. Как побочный материал при распиловке на фрезерно-брусующих линиях.
    Данный способ очень дешевый для производства щепы, так как она здесь является побочным продуктом при распиловке из круглого леса пиломатериалов.
     
  2. Второй способ — это получение щепы из круглого леса на дробилках.

Плотность древесной щепы, как и круглой древесины – очень неоднородна, связано это со строением дерева. Например, заболонная часть дерева гораздо тяжелее центральной части. А  комлевая древесина тяжелее верхушечной части и веток. Также плотность щепы полученной из березы будет гораздо больше, чем щепы из сосны.

Прежде всего, отметим, что в целлюлозно-бумажной индустрии для выработки бумаги и картона в зависимости от вида выпускаемой продукции используют как целлюлозу, так и древесную массу, а также полуцеллюлозу.

  1. Промышленный способ получения целлюлозы заключается в варке древесной щепы на целлюлозных комбинатах. Целлюлозная масса является основой при производстве, прежде всего, некоторых видов бумаги и картона. Есть, правда, и менее объемные производства, использующие целлюлозу. Это и вискозное волокно, и фотопленка, а также некоторые виды пластика.
     
  2. Химико-механические древесные массы в отличие только от варки целлюлозы, подвергаются в конце также механическому воздействию, т.е. окончательное разделение волокон происходит механическим путем. В результате получается исключительно жесткая масса. Применение такой древесной массы идеально для конструкционной опоры, необходимой для гофрированного тарного картона.
     
  3. Полуцеллюлоза
    занимает промежуточное место между механической массой и целлюлозой. При производстве полуцеллюлозы комбинируют  химический и механический способы обработки древесной щепы. Древесную щепу, частично размягчают или варят с химикатами, и после этого механически  разделяют на волокна, например, в дисковых рафинерах. Методы производства полуцеллюлозы позволяют получать выход в районе 55-90%. В качестве сырья для получения полуцеллюлозы служат главным образом лиственные породы древесины (береза, осина, тополь, бук и др.), реже хвойные (ель, пихта, сосна).

Растворимая целлюлоза — это техническая целлюлоза, предназначенная, главным образом, для производства химических производных целлюлозы. Она используется для химической переработки, чтобы получать такие продукты как вискозные волокна, целлофан, ацетаты целлюлозы, нитраты целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозу. Растворимую целлюлозу получают любым модифицированным как сульфатным, так и сульфитным способом.

Нерастворимые сорта целлюлозы используются для производства в большей степени бумаги и картона.

По способам варки, в зависимости от применяемых реагентов, различают следующие способы варки:

  1. Кислый (сульфитный). При варке целлюлозы кислым способом добавляют сернистую кислоту и ее соли. Этот метод широко распространен при варке целлюлозы из малосмолистых пород древесины (ель, пихта).
     
  2. Щелочной (натронный и сульфатный)
    • Щелочной натронный способ применим в том случае, если в качестве сырья используется  древесина лиственных пород. Это наиболее дорогостоящий способ варки целлюлозы.
       
    • Щелочной сульфатный способ наиболее распространенный метод варки в России. В качестве реагента применяют гидроксид и сульфид натрия. Данный метод позволяет осуществлять варку целлюлозы из любого вида древесного сырья. Существенным недостатком сульфатного способа варки целлюлозы является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений.


Источник:
Рынок целлюлозы в России–2014
Лес Онлайн.ру, 26.06.2014

Виды целлюлозы — Справочник химика 21

    По своему происхождению все волокна могут быть подразделены на природные и химические. Химические в свою очередь делятся на искусственные, изготовляемые из высокомолекулярных соединений, находящихся в природе в готовом виде (целлюлоза, казеин и др.), и синтетические волокна, получаемые из высокополимеров, предварительно синтезируемых из мономеров. Применение химических волокон растет с каждым годом. Этому способствует высокая экономическая эффективность их получения и применения, полная независимость производства от климатических и почвенных условий, практическая неисчерпаемость сырьевых ресурсов и возможность выпуска волокон с новыми, невиданными ранее свойствами. Так, затраты в человеко-днях на производство 1 т волокна составляют для шерсти (мытой) 400, для хлопка 238, а для вискозного штапеля всего 50. Если свойства природных волокон изменяются в узких пределах, то химические волокна могут обладать комплексом заранее заданных свойств в зависимости от их будущего назначения. Из химических волокон вырабатываются товары широкого потребления ткани, трикотаж, меховые изделия, одежда, обувь, обивка, спортинвентарь, драпировки, щетки, бортовая ткань, галантерея, заменители кожи, а также технические изделия корд, фильтровальные ткани, обивка для машин, рыболовные снасти, не гниющие в воде, канаты, парусина, парашюты, аэростаты, скафандры, искусственная щетина, электроизоляция, приводные ремни, брезенты высокой прочности, пожарные рукава, шланги, транспортерные ленты, хирургические нити, различная спецодежда и т. п. Химические волокна используются для герметизации и уплотнения аппаратов, работающих в агрессивных условиях. В производстве различных типов химических волокон как из природных полимеров, так и из смол имеется много общего, хотя каждый метод одновременно обладает своими характер- 
[c.207]

    Вид целлюлозы Содержание карбонильных групп X 0 Содержание карбо- Степень [c.300]

    Целлюлозно-бумажное произ-во занимает главное место среди Л.п. по объемам перерабатываемого сырья и готовой продукции Оно потребляет в СССР ок. 48 млн. м древесины (1986)- т. наз. балансовую и дровяную (80%), отходы лесозаготовок и деревообработки (щепа, опилки-20% доля их нз года в год возрастает) для выработки целлюлозы, древесной массы и получения из них разл. видов бумаги и картона. В пром-сти применяют в осн. сульфитный и сульфатный методы варки целлюлозы. Сульфитный метод (с его помощью получают 40% целлюлозы) позволяет производить легко отбеливаемую целлюлозу, а нз сульфитных щелоков-этанол н сухую микробную биомассу (кормовые дрожжи) этим методом перерабатывают почти исключительно древесину хвойных пород (преим. ель), из к-рой получают наиб прочную бумагу. Сульфатный метод дает возможность перерабатывать древесину любых хвойных и лиственных пород, особенно сосны и лиственницы, в разл. виды целлюлозы, в т. ч. вискозную и ацетатную. 

[c.586]

    Сырьем для изготовления ЦеД служат любые виды целлюлозы хлопок, бумага, разные виды вторичного целлюлозного сырья. [c.343]

    Простые сахара в виде сахарозы (димеров глюкозы и фруктозы) непосредственно ферментируются в этанол. Они, однако, содержатся в достаточной концентрации лишь в небольшом числе растений, прежде всего в сахарном тростнике и сахарной свекле. В некоторых сельскохозяйственных культурах (картофеле, кукурузе и других зерновых) довольно много крахмала, представляющего собой олигомер глюкозы. В древесине и растительных сельскохозяйственных отходах сахара содержатся в виде целлюлозы и гемицеллюлозы. Олигомеры и полимеры сахаров перед ферментацией превращают в моносахариды путем гидролиза  

[c.122]

    Константа С имеет следующие значения для разных видов целлюлоз  [c.320]

    Истинная клетчатка занимает по своему количеству первое место среди всех природных органических соединений. По приблизительной оценке количество двуокиси углерода, связанной растениями в виде целлюлозы, достигает 1100 биллионов килограммов, т. е, равно почти половине ее количества, находящегося в атмосфере. Отсюда видно, насколько важно, чтобы целлюлоза в результате естественных процессов разло>кения быстрее превращалась вновь в основные составные части двуокись углерода и воду — и тем самым предотвращалась бы возможность постепенного обеднения атмосферы углекислотой. [c.460]


    Дальнейшим доказательством правильности понимания адсорбции влаги в изложенном выше значении служит то обстоятельство, что разные виды целлюлозы сохраняют устойчивое постоянство соотношения адсорбции, независимо от условий, при которых производятся опыты. Так, например, соотношение между способностью к сорбции, свойственной вискозе, мерсеризированному хлопку и хлопку, вываренному в соде, составляет 2 1,5 I и остается постоянным, несмотря на изменение в широких пределах относительной влажности. Это указывает на то, что свойства компонентов, вызывающие адсорбцию, во всех трех указанных случаях одинаковы, но наличие такого компонента в каждом из указанных волокон различно.  
[c.215]

    СВВ типа окислитель-горючее в качестве окислителя обычно содержат неорг. соли, способные при разложении вьщелять Оз (нитраты, хлораты, перхлораты), в качестве горючего-высококалорийные орг. соед. (жидкие и твердые продукты переработки нефти, разл. виды целлюлозы и др.), металлы и их соед. (А1, ферросилиций и др.) или индивидуальные ВВ, выделяющие при разложении горючие газы СО, Нз, СН4. и сажу (тротил, динитронафталин). 

[c.369]

    Нейтрализованная лигносульфоновая кислота— лигносульфонат— в условиях сульфитной варки практически теряет способность к крайней степени термоконденсации. Поэтому возможно дальнейшее повышение температуры до 130—150 °С — в зависимости от вида целлюлозы. [c.206]

    Вместе с тем между плотностью и содержанием сухих веществ для каждого отдельного щелока имеется линейная зависимость. Это позволяет в конкретных условиях завода при стабильных варочной кислоте, породном составе древесины и виде целлюлозы использовать показатель плотности для внутризаводского контроля за переработкой сульфитного щелока. [c.224]

    Количество и состав экстрактивных веществ в сульфитном щелоке зависят от тех же факторов, которые определяют образование сахаров породы древесины и длительности ее выдерживания на складе лесоматериалов завода, способа варки и вида целлюлозы. Чем дольше древесина находится на складе лесоматериалов завода, тем больше экстрактивных веществ при сульфитных варках переходит в щелок. Этот прирост происходит главным образом за счет интенсификации процесса деацетилирования полисахаридов. Содержание экстрактивных веществ в сульфитном щелоке возрастает также при переходе от варки жесткой целлюлозы к целлюлозе для химической переработки. Это указывает, что накопление экстрактивных веществ протекает во времени, охватывая весь период варки. 

[c.227]

    Масса гексоз в щелоке сульфитных варок древесины ели составляет = /з всех сахаров. Это соотношение может меняться в зависимости от вида целлюлозы. Так, при варке целлюлозы для химической переработки сумма гексоз приближается к 75— [c.228]

    С целью объединения преимуществ кислотных и щелочных методов варки и увеличения разнообразия видов целлюлозы в отно- [c.364]

    Красители. В качестве красителей применяются многие акридины по химической природе, их можно разбить на два класса. К первому классу относятся аминоакридины, они применяются в качестве красителей основного характера для хлопка и других видов целлюлозы, а также для кожи. Второй класс красителей включает акридоны, молекулы которых обычно состоят из пяти-семи конденсированных колец, в числе которых находится ядро антрахинона они применяются для кубового крашения хлопка, льна и шелка. Для обработки шерсти акридиновые красители непригодны, так как не обладают необходимой стойкостью. [c.418]

    Эти данные положены в основу составления сводного материального баланса, приведенного в табл. 45, ще ра с тыс х ланы для варок трех видов целлюлозы жесткой, средней и мягкой — без уплотнения и с 25%-ным уплотнением. Для расчетов приняты следующие показатели  [c.426]

    Виском и другие виды целлюлозы (4%) Получение диоксида титоно и другие красителей С 62) Травление (2%) Очистка нефти (2%) [c.311]

    Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (С,Ню05) . Значение п в некоторых видах целлюлозы достигает 40 тыс., а молекулярная масса доходит до нескольких миллионов. Молекулы ее имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна. Молекулы же крахмала имеют как линейную, так и разветвленную структуру. В этом основное отличие крахмала от целлюлозы. [c.337]

    Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (СдНщОб) . Величина п в некоторых видах целлюлозы достигает 40 тыс., а молекулярный вес доходит до нескольких миллионов у. е. Молекулы ее имеют нитеви  [c.402]

    Обычным методом полу чення нитроцеллюлозы является обработка целлюлозы серно-азотными смесями. Изменяя состав кислотной смесн и главным образом содержание в ией волы, можно получить различные виды целлюлозы. Для получения нитроцеллюлоз различных типов в зависимости от формы целлюлозы, аппаратуры, модуля панны и др. применяют различные составы кислотных смессй (табл. ЮС) [6]. [c.351]

    Р е а к п и о н п а й способность ц е л i ю л о з ы — п тель, характеризующий поведение целлюлозы в процессе товления вискозы. Мстод определения этого показателя oi на приготовлении (в одном сосуде за одну операцию) bi с постоянным содержанием целлюлозы в вискозе (3,3%) и натра (И, 12 или 13%) для каждого вида целлюлозы, ю с метплм содержанием сероуглерода. Минимальное количее роуглерода, необходимое для получения вискозы, фильтрук в специальном приборе через стандартную никелевую сег р акте ризу ет реакционную способность целлюлозы. [c.56]


    ХИМИЧССКИП СОСТАВ и СВОЙСТВА ВАЖНЕЙШИХ видов ЦЕЛЛЮЛОЗЫ [c.75]

    Продолжительность кипячения зависит от вида целлюлозы, например, куски бензольной ватмановской бумаги кипятят 2 мин., а обрезки ватмана № 1—20 мнн. [c.194]

    На рис. 7,5 показано влияние вида целлюлозы при сульфитной варке древесины ели и степени отбора щелока на БПКб стока, отнесенное к J т целлюлозы. Как видно, чем выше степень отбора, тем в меньшей мере проявляется различие, вызванное видом целлюлозы. [c.220]

    Гирц нашел, что поглощение нарастало линейно при всех длинах волн с увеличением времени реакции вследствие образования оксиметилфурфурола. Поэтому он мог экстраполировать до нулевого времени. Скорость образования фурфурола варьировала, очевидно, в зависимости от вида целлюлозы и была тесно связана со степенью ее чистоты и особенно с содержанием в ней гемицеллюлоз. [c.185]

    Бьорквист с сотрудниками [II] сравнил четыре метода количественного определения лигнина в полухимических целлюлозах. Он нашел, что истинное содержание лигнина нельзя установить путем определения содержания метоксилов ввиду присутствия большого количества их в углеводах. Спектрофотометрические методы он также не считал надежными для количественного определения, так как в различных видах целлюлозы измеряется лигнин не одного типа. Кроме того, некоторые гемицеллюлозные фракции в фосфорнокислых растворах дают соединения с высоким поглощением в той же области, что и лигнин (280 т.11). [c.187]

    Между ИК целлюлозных субстратов, не содержащих лигнин, и их реакционной способностью наблюдается четкая отрицательная линейная зависимость чем больше ИК субстрата, тем меньше начальная скорость его гидролиза (коэффициент корреляции 0,92, см рис 1 9, а) Эта корреляция реализовалась и для глубокого гидролиза целлюлозы — за 24 и 48 ч (коэффициент корреляции — 0,88) [14-16] Зависимости такого же характера наблюдались и в работах [24, 25, 31-33] Однако для лигносодержа-щих видов целлюлозы, например багассы, изменение ИК не влияет на скорость ферментативного гидролиза (рис 1 9, 5) [16] Де-лигнификация таких видов целлюлозы, например щелочью, как правило, изменяет ИК незначительно, но, тем не менее, увеличивает реакционную способность Это происходит только за счет увеличения УПП делигнифицированной целлюлозы [c.23]

    Наиболее эффективными индукторами являются различные виды целлюлозы и неко орые целлюлозосодержащие субстраты (например, свекловичный жом). В отутствие индуктора в среде культивирования на средах с другими источниками углерода конститутивный биосинтез целлюлаз практически не идет. Напротив, при росте микроорганизма-продуцента целлюлаз на целлюлозе спустя некоторое время начинается активный синтез целлюлолитических ферментов. [c.100]

    Кислый сульфитный способ применяется для получения разнообразных видов целлюлозы для бумажного производства и химической переработки, бисульфитный — для получения в осноК пом целлюлозы высокого выхода, нейтрально-сульфитный — дл  [c.274]

    А. П. Треймаиис [279], изучая сорбцию ксилана из щелока натронной варки березовой древесины разными видами целлюлозы, показал, что древесные технические целлюлозы сорбируют ксилана больше, чем хлопковая целлюлоза (рис. 9.11). Это объясняется, по-видимому, более рыхлой структурой стенок волокон, древесных целлюлоз, их большей способностью к набуханию. [c.328]

    Л. Йоргенсен [125], отмечая, что максимум прочности целлюлозы соответствует определенному оптимальному содерн- анию ГМЦ, характерному для разных видов целлюлозы, все же считает, что содержание и состав ГМЦ являются второстепенным фактором, определяющим бумагообразующие свойства волокон, а преобладающее действие реагентов в условиях варки заключается в изменении структуры волокна и особенно его поверхности. [c.378]

    Н. Я. Солечник, Л. Н. Антонович и Л. Е. Аким (цит. по [286]) пришли к выводу, что скорость размола разных видов целлюлозы определяется всем комплексом иизкомолекуляриых веществ, содержащихся в целлюлозе, включая пентозаны. [c.387]

    Оберманс [692] при размоле различных видов целлюлоз добавлял ГМЦ, выделенные щелочной экстракцией из натронной и сульфатной целлюлоз. Часть добавляемых ГМЦ осаждалась на волокнах целлюлозы. Обнаружено, что повышение содержания [c.392]


3. Классификация целлюлозы

Древесная масса – это полуфабрикат, который получают механическим истиранием древесины до ее роспуска на отдельные волокна. Древесная масса нашла широкое применение в производстве бумаги, картона, она входит в состав большинства видов этой продукции в пределах от 10 до 90%. По показателям механической прочности древесная масса уступает целлюлозе. Способ получения древесной массы проще, дешевле, менее энергоемкий, с большим выходом по волокну (86–90 %), поэтому древесная масса – самый дешевый волокнистый полуфабрикат. Химический состав древесной массы приблизительно такой же, как и у исходной древесины. Ее волокна при отливе бумаги образуют плохое сцепление и не дают прочного листа, сообщают бумаге крупнопористую структуру, большую впитывающую способность. Поэтому при выработке бумаги древесная масса применяется вместе с целлюлозой.

Вырабатывают несколько видов древесной массы. Виды древесной массы зависят от технологического способа обработки древесины. При механическом способе вырабатывают белую древесную массу. Этот способ предусматривает два рабочих этапа – пропарку древесного баланса в условиях высокой температуры и механическое истирание баланса. Белая древесная масса из балансов и щепы ели, пихты, осины, тополя имеет волокна сравнительно малой прочности, но цвета натуральной древесины, выход 95-96%. Используется в сочетании с целлюлозой для производства массовых видов бумаг.

Бурая древесная масса используется для производства пакетной и оберточной бумаги (в большинстве случаев с добавкой макулатуры) – 0–35 % целлюлозы, масса 90–200 г/м2; коробочного картона – 0–20 % целлюлозы, масса 280–500 г/м2 ; кожкартона, дуплекса и триплекса с наружным слоем из другого полуфабриката – 0–20 % целлюлозы, масса 500–1000 г/м2; многослойного клееного картона массой свыше 1000 г/м2.

Предварительная пропарка щепы дает возможность получать термомеханическую древесную массу с прочными волокнами и выходом 90%. Получают прочный длинноволокнистый полуфабрикат, который позволяет значительно сократить или полностью исключить целлюлозу в производстве многих видов бумаги и картона. Термомеханическую массу обязательно подвергают отбелке. Для производства термомеханической массы может использоваться цепа самых различных пород деревьев: пихты, сосны, ели, березы, осины и др.

При предварительной химической обработке балансов или щепы раствором сульфата натрия или бисульфата натрия получают химическую древесную массу с весьма прочными волокнами и выходом 85–90 %. В результате получается однородный и длинноволокнистый полуфабрикат без пучков и обрывков волокон с выходом по волокну 85–90 %. Химическая древесная масса отличается пониженной белизной, но она легко отбеливается. Отбеленную химическую древесную массу применяют в некоторых видах печатной бумаги вместо более дорогой древесной целлюлозы.

Если щепу подвергают не только химической обработке, но и пропарке, получают химико-термомеханическую древесную массу. По прочности волокна ее показатели в 2 раза выше, чем у термомеханической древесной массы. Выход составляет 80-90%.

Полуцеллюлоза – волокнистый полуфабрикат, содержащий еще больше нецеллюлозных веществ, промежуточный продукт между целлюлозой высокого выхода и древесной массой. Его получают путем неглубокой химической переработки сырья – непродолжительной варке древесной щепы в растворе соды или сульфита натрия. В результате — больший выход по волокну – до 65–85 % вместо 45–50 % при варке целлюлозы. В полученной из хвойной древесины полуцеллюлозе может содержаться 15–20 % лигнина. В отличие от древесной массы полуцеллюлоза обладает волокнистым строением, большей мягкостью и гибкостью, она может частично или даже полностью заменить целлюлозу при изготовлении некоторых видов бумаг. Полуцеллюлоза используется для выработки тарного и других видов картона, а также низких сортов бумаг, древесноволокнистых плит.

Сульфитную целлюлозу варят как периодическим, так и непрерывным способом. Для получения 1 т. целлюлозы расходуется от 80 до 130 кг серы. При использовании лиственной древесины (береза, осина, тополь, бук и др.) вместо хвойной (ель, пихта) расходуется больше сернистого сырья. Показателем степени провара целлюлозы служит ее жесткость, степень которой определяется содержанием остаточного лигнина в проваренной волокнистой массе после промывки. Небеленую сульфитную целлюлозу в зависимости от того, при каких условиях варки она получена, разделяют на жесткую, среднюю и мягкую. Жесткая целлюлоза, содержащая много лигнина, используется в производстве прочной бумаги. Мягкие сорта целлюлозы отличаются повышенной чистотой и служат сырьем, в частности, например, для выработки искусственного волокна. Кроме того, целлюлоза широко применяется как исходное сырье в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, шерсти, кожи, целлофана, лаков, кинопленки и т.п.

Беленую сульфитную целлюлозу выпускают девяти марок со степенью белизны от 83 до 92%. Разрывная длина целлюлозы 4500–9000 м и выше. Число двойных перегибов от 600 до 3500 и более. Сортность целлюлозы – очень важный показатель. Сортность зависит от степени окорки баланса и очистки целлюлозы.

Сульфатная хвойная целлюлоза вырабатывается главным образом из древесины сосны. Щепу варят в растворе едкого натра NaOН и сернистого натрия Na2S (сульфатный способ). Волокна сосновой сульфатной целлюлозы по размерам и форме сходны с волокнами сульфитной, но отличаются от них бурым цветом, значительно более высокой прочностью, большим содержанием гемицеллюлоз и меньшим содержанием смолы. Высокая прочность сульфатной целлюлозы позволяет применять ее для производства разнообразной бумаги.

Небеленая сульфатная целлюлоза используется для выработки мешочной, оберточной, кабельной, конденсаторной, телефонной, пропиточной, намоточной и многих других видов бумаги. Полубеленая сульфатная целлюлоза применяется ля выработки газетной, печатной, промокательной, фильтровальной бумаги, бумаги-основы для пергамента и др. Высококачественная беленая используется для химической переработки – получения прочного искусственного волокна, штапеля, целлофана, корда. В большом количестве сульфатная целлюлоза применяется для выработки картонной тары, бумажного шпагата и других изделий.

Техническая целлюлоза. Варка измельченной древесины или соломы с различными химическими реагентами при повышенной температуре и давлении приводит к получению технической целлюлозы. В соответствии с величиной выхода технические целлюлозы делятся на три основные категории: целлюлоза нормального выхода (40..50 % от массы сырья) находит широкое применение в бумажном производстве и ряде отраслей химической промышленности. В первом приближении различают целлюлозы жесткие, содержащие примерно от 3 до 8 % лигнина, и мягкие, содержание остаточного лигнина в которых не превышает 1,5 %. Целлюлоза высокого выхода (50..60 %), содержащая значительную часть лигнина, гемицеллюлоз и другие вещества, получается при сокращенной продолжительности варки и пониженной температуре процесса. Этот продукт используют для производства различных видов картона и бумаг. Полуцеллюлоза — волокнистый полуфабрикат, занимающий промежуточное место между целлюлозой и древесной массой. Выход из древесины полуцеллюлозы — 65—85%, обычной целлюлозы 46—53, а древесной массы 95—98 % от массы абсолютно сухой древесины. Внешний вид волокон полуцеллюлозы не отличается от внешнего вида волокон целлюлозы, а механические показатели ниже и зависят от свойств исходного сырья, способов варки и размола.

Физико-химические свойства пищевых волокон как сорбентов

Разные виды пищевые волокна отличаются большим разнообразием структуры, состава Сахаров и функциональных групп, хотя подавляюще большинство из них являются полимерами полисахаридной природы. Даже близкие по своей структуре пищевые волокна, например, целлюлоза и ее производные или разные виды пектинов, могут иметь существенные различия в размере макромолекул, в составе Сахаров, числе и составе функциональных групп, что определяет различия их свойств.

Рассматривая физико-химические свойства пищевых волокон, следует выделить:

Растворимость в воде, что характерно для большинства пищевых волокон.

Гидрофильность и высокую водоудерживающую способность, которая очень сильно различается в зависимости от вида пищевые волокна.

Высокую сорбционную способность пищевых волокон в отношении очень широкого класса веществ.

Способность большинства пищевых волокон перевариваться с помощью бактериальных ферментов, что определяет их пребиотические свойства.

Природные пищевые волокна являются источником пищевых субстратов: белков, липидов, углеводов, макро- и микроэлементов. Отдельные виды пищевых волокон, например, отруби, являются важным источником витаминов.

РАСТВОРИМОСТЬ В ВОДЕ

Большинство пищевых волокон хорошо растворяются в воде, с которой они могут образовывать гели. Однако встречаются и нерастворимые пищевые волокна. По этой характеристике все пищевые волокна можно разделить на две группы:
РАСТВОРИМЫЕ — пектин, КМЦ, альгинаты, зостерин, каррагинан, камеди, мукополисахариды, олигофруктоза, инулин.
НЕРАСТВОРИМЫЕ — целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, альгиновая кислота.

ГИДРОФИЛЬНОСТЬ И ВОДОУДЕРЖИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Гидрофильность пищевые волокна определяет их способность связывать воду. Это свойство пищевых волокон приводит к тому, что они набухают в водных средах, увеличивая свой объем, что является раздражающим фактором для кишечной стенки, может усиливать моторику кишечника и сокращать время транзита по желудочно-кишечному тракту.

Большинство пищевых волокон характеризует высокая водоудерживающая способность. В среднем, один грамм пищевых волокон может связывать 3 мл воды, но это свойство очень сильно варьируется в зависимости от вида пищевых волокон.

Водорастворимые пищевые волокна (пектин, гемицеллюлоза, КМЦ, альгинаты, зостерин, каррагинан, камеди) в большей степени связывают воду, чем нерастворимые (целлюлоза, лигнин). Среди пектинов способность связывать и удерживать воду различается в 5-30 раз. В этом отношении все пищевые волокна можно разделить на три группы:

ВЫСОКО ГИДРОФИЛЬНЫЕ — МКЦ, гемицеллюлоза, пектин, камеди, альгинаты, каррагинан, зостерин, инулин, олигофруктоза, мукополисахариды

УМЕРЕННО ГИДРОФИЛЬНЫЕ — целлюлоза

ГИДРОФОБНЫЕ – лигнин

Различия в гидрофильности разных видов пищевы волокон определяют конечную водоудерживающую способность пищевых продуктов.

Несмотря на то, что водоудерживающая способность овощей существенно выше, чем у пшеничных или ржаных отрубей, однако лучше для этой цели все же использовать отруби. 100 г пшеничных отрубей по величине водоудерживающей способности эквивалентны почти 290 г яблок, 390 г моркови или 1170 г огурцов. В то же время, среди овощей и фруктов лидером по способности связывать воду является свекла (29,2 г воды/100 г), яблоки (20,2 г воды/100 г) и морковь (14,9 г воды/100 г).

СОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Высокая сорбционная способность пищевы волокон является одним из важнейших их свойств. Благодаря этому свойству пищевые волокна могут связывать на своей поверхности не только молекулы воды, моносахариды, аминокислоты, холестерин, жирные кислоты, макро- и микроэлементы, витамины, но и более крупные пищевые субстраты (белки).

Пищевые волокна также активно связывают пищеварительные ферменты, желчные кислоты, фармпрепараты, ксенобиотики, тяжелые металлы, токсические вещества, энтеротоксины бактерий, канцерогены и многие другие вещества.

Помимо этого некоторые пищевые волокна могут связывать надмолекулярные комплексы, бактерии, вирусы и другие крупные частицы. Сорбционные свойства пищевы волокон, главным Образом, обусловлены присутствием в составе молекул Сахаров различных функциональных групп:

гидроксильных (R-OH),

метальных (R-Ch4),

метоксильных (R-O-Ch4),

ацетильных (R-COOH),

амидных (R-CO-Nh3),

ацетиламинных (R—NH-CO-Ch4).

карбоксиметильных (R—О—СН2—СООН),

сульфатных (R-O-SO3),

этиламиноэтильных (R—С2Н5О—NH — С2Н5) и др.

Наличие большинства указанных функциональных групп, например, метильных, ацетильных или карбоксиметильных, придает поверхности биополимера отрицательный заряд, что делает его эффективным катионообменником, способным связывать положительно заряженные ионы, например, катионы макро- и микроэлементов.

В то же время другие функциональные группы, например, гидроксильные или этиламиноэтильные, могут нести положительный заряд и связывать отрицательно заряженные ионы — анионы. Отдельные функциональные группы могут образовывать водородные связи с молекулами сорбатов. Однако связывающая способность разных видов пищевых волокон заметно различается.

В силу особенностей структуры, наличия в составе пищевых волокон разных функциональных групп разные виды пищевых волокон обладают далеко не одинаковой субстрат-связывающей способностью по отношению к разным веществам. Например, инулин in vitro связывает холестерин на 34-41%, триглицериды на 17-26%, глюкозу на 10% и совсем не связывает фолиевую кислоту (Беляков Н.А., 1989).

С другой стороны разные виды пищевые волокна обладают неодинаковой способностью связывать одни и те же вещества.

Сорбционная способность разных видов пищевых волокон и холестирамина связывать желчные кислоты in vitro (Cummings J.H., 1981).
Пищевое волокно  % связывания
Холестирамин               81,3

Лигнин                          29,2

Люцерна (Alfalfa)          15,9

Отруби                           9,0

Целлюлоза                      1,4

Из-за различий в содержании пищевых волокон, которые отличаются субстрат-связывающими свойствами, разные виды пищевых продуктов обладают неодинаковой способностью связывать отдельные вещества. Это можно продемонстрировать на примере связывания пищевыми волокнами одной из желчных кислот — холевой кислоты.

Сорбционная способность пищевых продуктов по отношению к холевой кислоте (Черно Н.К., 1989).

Пищевые продукты  мг холевой кислоты / г пищевые волокна

Морковь                                                       5,1

Клубника                                                     5,0

Ячменные отруби                                        5,0

Яблоки                                                         4,5

Овсяные отруби                                          4,0

Баклажаны                                                 3,5

Отруби пшеницы                                        3,0

Капуста                                                       2,2

С другой стороны, связывающая способность пищевых волокон зависит и от свойств самих сорбатов — веществ, которые сорбируются на поверхности пищевые волокна. Тем более, что связывание веществ на сорбционной матрице является процессом обратимым. Более сильный сорбат вытесняет с поверхности сорбента более слабый. Это хорошо изучено на примере связывания различных пищевых волокон с альгинатами.

Сорбционная способность элементов убывает в рядах слева направо:
свинец > медь > барий > стронций > кальций > кадмий > кобальт > никель
марганец > железо
барий > стронций > олово > кадмий > марганец > цинк > ртуть > кобальт > рубидии > стронций > цезий > кальций

То есть свинец будет вытеснять с поверхности сорбента медь, которая, в свою очередь, будет вытеснять стронций, кальций, кадмий и другие элементы. Для нас важно, что такие токсичные элементы, как свинец, стронций и цезий прочнее связывается на сорбционной матрице альгинатов, чем кальций, а ртуть — прочнее, чем кобальт.

Таким образом, сорбционные свойства и суммарный сорбционный потенциал пищевых волокон обусловлены целым рядом факторов:
* большими линейными размерами макромолекул пищевых волокон, как биополимеров,
* особенностями пространственной структуры некоторых из них,
* наличием на поверхности макромолекул пищевых волокон различных функциональных групп,
* общим количеством пищевых волокон в составе пищевого рациона.

Следует подчеркнуть, что сорбционный эффект пищевых волокон может существенным образом уменьшаться в связи с бактериальной ферментацией и разрушением пищевые волокна (пектинов, целлюлозы, гемицеллюлозы, камеди и др.).

Напротив, устойчивые к действию бактериальных ферментов пищевые волокна (лигнин, КМЦ и другие производные целлюлозы, зостерин, альгинаты) способны сохранить свой сорбционный потенциал на всем протяжении желудочно-кишечного тракта.

Но поскольку бактериальный гидролиз основной части пищевых волокон осуществляется в толстой кишке, именно в ней происходит массовая десорбция веществ с поверхности разрушаемых пищевых волокон. Но в этом случае увеличивается биомасса кишечных бактерий, клеточная стенка которых также обладает высокой сорбционной емкостью.

Поэтому часть десорбированных с поверхности пищевых волокон токсических веществ и метаболитов может сорбироваться на поверхности кишечных бактерий или фрагментах разрушенных стенок кишечных бактерий, завершивших свой жизненный цикл. Пептидогликаны клеточной стенки бактерий и полисахаридные цепочки гликокаликса клеточной поверхности живых бактерий по своей структуре и свойствам также можно отнести к пищевых волокон. Как и растительные волокна, они несут на своей поверхности заряженные функциональные группы и могут сорбировать широкий круг различных веществ.

Перевариваемость пищевых волокон также во многом зависит от состояния пищеварительной функции. Уменьшение пищеварительной функции желудка (снижение секреции соляной кислоты и пепсина при атрофических состояниях) нарушают начальные этапы деградации и гидролиза растительных и животных продуктов, затрудняя последующее бактериальное расщепление пищевых волокон. Важным фактором, определяющим перевариваемость пищевые волокна, является длина кишечника и скорость кишечного пассажа. Здесь решающую роль играет фактор времени, в течение которого происходит пищеварение.

Тем более что пищевые волокна ускоряют транзит пищи по кишечнику и уменьшают продолжительность пищеварения. У человека средняя скорость пассажа в норме составляет около 40 часов. У экспериментальных животных (крыс, кроликов и др.) относительная длина кишечника меньше, чем у человека, а скорость пассажа — выше. Это снижает перевариваемость пищевых волокон. У крыс, например, перевариваемость целлюлозы составляет всего лишь 15%, а гемицеллюлозы — 50%. У кроликов перевариваемость целлюлозы колеблется в пределах 17-23%, а гемицеллюлозы — 33-54%. Таким образом, уменьшение времени транзита пищи у экспериментальных животных заметно снижает перевариваемость пищевых волокон, поскольку сокращается время пищеварения.

На переваривание пищевые волокна оказывает влияние и микробиоценоз кишечника. Переваривание пищевых волокон зависит от общего количества и видового состава кишечных микроорганизмов.

У здоровых людей обычно переваривается около 78% целлюлозы и 96% гемицеллюлозы, причем в тонкой кишке может перевариваться более половины этих пищевых волокон, остальная часть приходится на долю толстой кишки. У мужчин в тонкой кишке переваривается около 65% гемицеллюлозы, а у женщин — 83%.

При назначении 14 г целлюлозы, гемицеллюлозы и пектина в желудочно-кишечном тракте переваривалось 45-46% целлюлозы, 76-90% гемицеллюлозы и до 100% пектина. При изучении перевариваемости гуммиарабика и других, близких к нему камедей было установлено, что они практически на 100% перевариваются в желудочно-кишечном тракте. Разумеется, что % перевариваемости тех или иных пищевых волокон зависит от их абсолютного или относительного содержания в составе пищевого рациона.

ПИЩЕВЫЕ ВОЛОКНА КАК ИСТОЧНИК ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ

До недавнего времени считали, что пищевые волокна являются «балластом» в питании, пищевая ценность которых ничтожно мала, поскольку они практически не перевариваются кишечными ферментами. Однако многие виды пищевых волокон перевариваются ферментами кишечных бактерий. В этом отношении пищевые волокна имеют вполне определенную пищевую и энергетическую ценность, поскольку в процессе их бактериального гидролиза образуются летучие жирные кислоты, витамины и другие пищевые субстраты, которые затем могут всасываться в кровь. Подсчитано, что энергетическая ценность 1 г пищевых волокон, ферментируемых в толстой кишке, в среднем составляет около 1,5 ккал.

Помимо этого при деградации и гидролизе пищевых волокон, из их состава освобождаются и всасываются макро- и микроэлементы, витамины, моносахариды и другие пищевые вещества, которые могут быть связаны на поверхности пищевых волокон или находиться в составе матрикса природных пищевых волокон.

Примерно половина перевариваемых бактериями пищевых волокон идет на образование короткоцепочечных или летучих жирных кислот.

Их 7: уксусная, масляная, пропионовая, изомасляная, валериановая, изовалериановая и капроновая кислоты.

Уксусная, масляная и пропионовая кислоты в совокупности составляют 92% всех жирных кислот (54,1 20,7 и 17,1 % I оответственно), образуемых при бактериальном гидролизе пищевых волокон. При микробном переваривании фруктоолигосахаридов на образование короткоцепочечных жирных кислот расходуется около 58% массы пищевых волокон. При том образуется 41% уксусной кислоты, 35% — пропионовой и 20% масляной.

Еще одним источником короткоцепочечных жирных кислот, образующихся в результате бактериального гидролиза в толстой кишке, являются эндогенные мукополисахариды, олигосахаридные фрагменты белков и сахара разрушенных эпителиальных и бактериальных клеток. В течение суток образуется 300-600 ммоль короткоцепочечных жирных кислот бактериального происхождения. Эти жирные кислоты модифицируют функции толстой кишки и закисляют ее содержимое. Они являются важными энергетическими субстратами и метаболитами для эпителиальных клеток тонкой и толстой кишки, клеток печени, почек и других органов.

Важную роль играют кишечные бактерии (в основном это бактероиды, пропионобактерии, клостридии, стрептококки и стафилококки) в отношении переваривания устойчивых к гидролизу белков, а также таких белков, которые попадают в толстую кишку. Эти белки под влиянием бактериальных протеаз расщепляются до аминокислот.

Вторая половина перевариваемых пищевых волокон используется кишечными бактериями для собственных пищевых нужд и вместе с другими пищевыми субстратами желудочно-кишечного тракта идет на обеспечение жизнедеятельности и наращивания биомассы бактерий.

Из них кишечные бактерии синтезируют необходимые им вещества -углеводы, аминокислоты, витамины и др. После гибели и переваривания бактерий многие из этих веществ могут всасываться в кровь и используются самим организмом как источник пищевых и биологически активных веществ.

Около 10% пищевых волокон метаболизирует в клетках бактерий до метана, водорода, углекислого газа и воды.

До настоящего времени остается неясным, в каких количествах происходит всасывание и использование организмом продуктов бактериального гидролиза пищевых волокон и пищевых субстратов, остающихся после гибели бактерий. В наибольшей степени эти вещества будут всасываться в тонкой кишке и в меньшей — в толстой, где образуется основная масса бактериальных метаболитов, витаминов, других биологически активных веществ, многие из которых оказываются в составе кала и выводятся из организма.

 

Дружинин П.В. РУДН. Новиков Л.Ф. РУДН. Лысиков Ю.А. НИИ Питания РАМН

Источник: http://on-line-wellness.com/view_post.php?id=124

Что такое рынок целлюлозы?

Рыночная целлюлоза является основным ингредиентом, используемым для производства бумаги и сопутствующих товаров. Он состоит из измельченной древесной массы, которая была разбита на отдельные волокна или небольшие скопления волокон. Рыночная целлюлоза производится на целлюлозных заводах, а затем продается производителям бумаги по всему миру. Этот продукт представляет собой тип товара и продается и продается как золото, сахар, соль и другие товары.

Стандартная целлюлозная масса производится на целлюлозных заводах, которые разбивают древесину на древесную щепу, а затем на отдельные волокна. Это может быть достигнуто с помощью механических или химических средств. Затем целлюлозу отбеливают и очищают, чтобы она могла использоваться в бумажной промышленности. Нерыночная целлюлоза затем сразу используется на том же предприятии для производства бумаги или аналогичных продуктов.

Фирмы, производящие бумагу, у которых нет целлюлозных заводов, должны закупать целлюлозу у других производителей. Эта целлюлоза, которая производится на одном предприятии, а не продается другому производителю для создания конечного продукта, называется товарной целлюлозой. Компании, производящие бумагу, могут приобретать эту массу в больших кипах, рулонах или мешках с воздушной сушкой «пух». Выбор формата во многом зависит от используемого производственного процесса и желаемого внешнего вида и качества производимой бумаги.

Рынок целлюлозы, как правило, делится на разные виды или сорта. Эти сорта основаны на типе химических веществ и методов, используемых для производства целлюлозы, а также на ее текстуру и источник. Различные сорта предназначены для конкретного использования. Например, более высокие оценки могут быть использованы для поиска писчей бумаги и предлагают самый высокий уровень яркости и минимальное количество загрязняющих веществ. Низкие сорта предназначены для более низкого качества применения и часто содержат больше примесей и загрязняющих веществ, таких как зола.

После продажи целлюлозы конечному потребителю ее можно использовать для производства самых разнообразных продуктов. Помимо бумаги, рыночная целлюлоза используется при производстве картонной и товарной упаковки, а также бумажных полотенец и подгузников. Это также служит жизненно важным компонентом в некоторых формах производства ткани.

Как и на другие товары, на цены на целлюлозу в основном влияет деятельность на товарном рынке. Из-за взаимодействия инвесторов и спекулянтов, цены могут колебаться в зависимости от факторов, помимо спроса и предложения. Это означает, что цены уязвимы для рыночных сил за пределами бумажной промышленности, что может оказать существенное влияние на бумажные фабрики и производителей.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Азия-Бизнес / Торговая площадка / МИНИ-ЗАВОДЫ / Целлюлоза виды и типы


БЫСТРЫЙ ПЕРЕХОД :

История и культура КитаяТитульная страница сайтаНовостиТорговая площадкаКарта сайтаО КОМПАНИИФотографии КитаяВаши запросыЗаконодательство КНР

НАВИГАЦИЯ ПО РАЗДЕЛУ :

Путь по сайту: Главная / Торговая площадка / МИНИ-ЗАВОДЫ / Целлюлоза виды и типы

Молодые многолетних растений (однолетние) стебли снаружи покрыты кожицей, которая затем замещается пробкой, состоящей из мёртвых клеток, заполненных воздухом.
Под кожицей и пробкой находятся клетки, образованные разными тканями. Наружная часть коры представлена слоями клеток покровной и механической тканей с утолщёнными оболочками и тонкостенных клеток основной ткани, которые могут содержать хлорофилл и лигнин.
Обычную целлюлозу получают из всех тканей стебля. Именно из этих тканей надо вымыть и выварить лигнин при производстве целлюлозы обычной.
Для более глубокой переработки целлюлозы и получения альфа целлюлозы надо перейти на клеточный уровень обработки сырья.
Внутренний слой коры, в составе которой много клеток проводящей ткани, называют лубом.
В состав луба входят ситовидные трубки, толстостенные лубяные волокна и группы клеток основной ткани.
Ситовидные трубки — это вертикальный ряд вытянутых живых клеток, у которых поперечные стенки пронизаны отверстиями (как у сита), ядра в этих клетках разрушились, а цитоплазма прилегает к оболочке.
Это проводящая ткань луба, по которой перемещаются растворы органических веществ.
Лубяные волокна, вытянутые клетки с разрушенным содержимым и одревесневшими стенками, представляют механическую ткань стебля.
При получении альфа целлюлозы моют, в щелочах волокна льняной целлюлозы пока они полностью не очистятся от всех примесей вплоть до клеточного уровня. В этом состоянии льняные волокна целлюлозы превратились в льняную альфа целлюлозу.
В стеблях льна, и других подобных льну растений, лубяные волокна развиты особенно хорошо и очень прочны. Из лубяных волокон льна изготавливают все виды и типы целлюлоз.
При производстве микрокристаллической, фибро, нано целлюлоз, пироксилинов надо из стебля льна, который вследствие многократного мытья и варки в щелочах и кислотах превратился в альфа целлюлозу, выделить именно эти клетки, удалив и промыв все прочие клетки стебля и уже на клеточном уровне провести очередную чистку сырья, которым уже является альфа целлюлоза полученная из льна. Волокна надо раздробить до клеточного уровня на специальных машинах деструкторах. Из этих клеток отделенных от стебля получают перечисленные виды целлюлоз.

© Авторское право принадлежит «Мега Пауэр Гонконг Груп Лимитед».
Все права защищены. E-mail: [email protected] Tel: 86 13903612274
В случае использования ссылка на сайт обязательна

 

Качество массы (волокна) при производстве бумаги

Скачать статью

Качество массы

Бумага изготавливается из волокон, и разные типы волокна лучше или хуже подходят для производства бумаги разных видов. Кроме того, отличается и стоимость разных видов волокна. Тип используемого волокна, и процесс его подготовки можно оптимизировать для каждого вида продукции. При производстве бумаги одним из наиболее важных измеряемых свойств является степень однородности или колебания в качестве волокна; вариации в качестве волокна будут вызывать вариации в качестве бумаги. Характеристики массы, применяемой для изготовления бумаги, влияют на качество готовой бумаги. Имеется постоянно возрастающая потребность в измерении новых характеристик процесса. Определенные измеренные сигналы дают новые возможности производству, включая потенциал для усилий, прилагаемых исследовательскими и проектирующими организациями для развития процесса и знания материалов, что ведет к улучшениям.

Автоматическое измерение качества массы позволяет проводить измерения более часто и с меньшими затратами. Кроме того, измерения становятся более точными и полностью независимыми от операторов. С помощью методов измерения вручную, применявшихся ранее, было невозможно измерять с необходимой частотой для обеспечения качества массы. С помощью специально разработанных Лорентцен и Веттр пробоотборников и систем отбора проб одна система позволяет часто отслеживать несколько точек измерения на бумажном производстве. Это позволяет обнаруживать и устранять отклонения по качеству на совершенно ином, чем ранее, уровне. В этой области Лорентцен и Веттр предлагает STFI L&W Файбермастер и L&W Файбертестер.

L&W STFI Файбермастер измеряет свойства волокна он-лайн с применением пробоотборников, устанавливаемых в производственной линии. Процесс непрерывно отслеживается, что обеспечивает раннее обнаружение отклонений в качестве массы. Прибор имеет прочную конструкцию, которая позволяет устанавливать его в производственных условиях, является модульной, что позволяет добавлять дополнительные модули для измерений. Прибор можно использовать и как лабораторный, и как он-лайн.

L&W Файбертестер является отдельным современным автоматизированным и гибким настольным прибором для анализа волокна в лаборатории. Измерение качества волокна делает возможным отслеживание проблем с качеством бумаги. Применение приборов Лорентцен и Веттр для измерения волокна позволяет избегать этих проблем на ранней стадии.

Новый язык для качества массы

Для улучшения понимания между производителями целлюлозы и бумаги, и потребителями бумаги были разработаны новые методы измерения свойств волокна. Такие подходы, как измерение числа Каппа, индексов вязкости и раздирания были заменены или дополнены такими свойствами волокна, как длина, сечение, гибкость и свойства поверхности. Многие из этих свойств можно измерить с помощью L&W STFI Файбермастера. Теперь можно найти корреляцию между свойствами исходного материала и качеством конечного продукта- бумагой. Это означает, что можно оптимизировать как процесс, так и продукт.

Рис 1. Можно измерить длину и ширину различных видов волокна: термомеханическая масса, неотбеленная сульфатная целлюлоза, и отбеленная сульфатная целлюлоза.

Частый отбор проб

Автоматическое измерение целлюлозы позволяет подтверждать качество более часто и с меньшими затратами, снижая, таким образом, зависимость от ручных измерений. Традиционные методы не дают достаточной частоты измерений для подтверждения
качества целлюлозы. Специально разработанные Лорентцен и Веттр пробоотборники и система отбора проб означают, что можно с помощью одной системы отслеживать с заданной повторяемостью несколько точек измерения. Это позволяет обнаруживать
отклонения в качестве в совершенно ином, чем ранее, масштабе.

Рис 2. Стандартный отчет от L&W Файбертестера показывает средние значения, кривые распределения, одно двумерное распределение и матрицу качества с 2 – 15 классами длины (опция).

Свойства волокна

Важные измеряемые свойства волокна включают длину, ширину, деформацию, изгибаемость и костру. Длина – Длина волокна влияет на прочность листа, но может иметь негативное влияние на формование. L&W STFI Файбермастер был сконструирован для
измерения длины волокна независимо от степени деформации, и эти данные важны, поскольку деформация волокна ослабляет лист. 

Ширина – Более тонкие волокна дают более хорошее и равномерное формование. Основываясь на информации о площади поверхности волокна и его периметре, рассчитываются длина и ширина эквивалента его как прямоугольного объекта. Длина
и ширина описывают модель реально наблюдаемого объекта, который, в свою очередь, имеет менее определенную форму. Ширина волокон снижается, когда лигнин выводится из волокна.

Фактор формы – Вариации фактора формы между 81 и 85 % могут дать различие до 15 единиц по разрывной прочности неразмолотых образцов. Эта разность последовательно сохраняется при размоле с постоянной энергией, даже если разрывная прочность увеличилась за счет фибрилляции поверхности волокна.

Грубость — Единицы грубости используются для оценки толщины стенок волокна как вес на единицу длины. L&W STFI Файбермастер проводит расчеты в соответствии с формулой ниже. Поскольку L&W STFI Файбермастер также измеряет ширину волокна, то это значит, что можно рассчитать также вес на площадь поверхности волокна.

Изгибаемость, сосуды и изломы

Изгибаемость – Когда волокна более гибкие, то производится более прочная бумага. Специальные измерения показывают, что волокна весенней древесины более гибкие, чем волокна летней древесины. Для измерения изгибаемости фактор формы измеряется еще раз с более высоким расходом воды в измерительной ячейке. Изгибаемость определяется как разность факторов формы при высоком и нормальном (низком) расходе в измерительной ячейке. Волокна весенней древесины шире волокон летней древесины, и имеют более тонкие стенки, склонные к схлопыванию. Поэтому они изгибаются легче.

Сосуды – в лиственной целлюлозе сосуды могут вызвать проблемы, поскольку они ограничивают пригодность целлюлозы для некоторых применений. Типичный сосуд, например, эвкалиптовый сосуд, имеет размеры 200×200×20 мкм. Типичное эвкалиптовое волокно имеет размеры 800х20х20мкм. Измеряется отношение числа сосудов к числу волокон и распределение длина/ширина для сосудов. Дополнительной измерительной ячейки не требуется.

Изломы – Локальные деформации могут вызвать локальное ослабление волокна. Измерение изломов требует дополнительных 10 минут и проводится после измерения длины, ширины и фактора формы на том же образце. Исходные данные можно сохранить
для проведения последующего изучения отдельных волокон и расчета углов излома. Длины сегментов рассчитываются в соответствии с рисунком. Информация об изломах может оказаться более важной, чем информация по длине.

Рис 3. Волокно с двумя измеряемыми локальными деформациями

Костра, садкость и смесь

Костра — это волокна, которые не разделились, и которые шире 75мкм. Костра может дать дефекты поверхности, тем самым ослабляя бумагу. Кроме того, это может вызвать остановы бумажной машины и машин последующей переработки, например, печатных прессов. Костра образуется при производстве неотбеленной химической и механической целлюлозы.

Садкость – неравномерность удержания может вызвать проблемы на бумажной машине. Садкость является измерением скорости, с которой водa вытекает из образца массы. Стандартный тест на садкость основан на вытекании под действием силы тяжести
через пластину с отверстиями. L&W STFI Файбермастер измеряет садкость, когда образец проходит через сетку, следуя стандартному анализу. Этот метод аналогичен методу ТАППИ T227.

Смесь — двумерное распределение по волокну. Программа рассчитывает компоненты по видам волокна, присутствующим в образце целлюлозы. Соотношение коротких и длинных волокон в смеси или соотношение волокон химической целлюлозы в смеси с ТММ может быть рассчитано и использовано при он-лайн контроле процесса. Например, примесь коротких волокон в упрочняющей целлюлозе снижает ценность целлюлозы, в то время как химическая целлюлоза в возвратной массе дает более прочную бумагу.

Оригинал статьи опубликован в журнале «L&W HANDBOOK»

Оборудование L&W STFI Файбермастер представлено в каталоге на сайте «Юман».

Что такое целлюлоза и все ли формы целлюлозы одинаковы?

Целлюлоза — это вещество, из которого состоит большая часть клеточных стенок растений. Поскольку он вырабатывается всеми растениями, это, вероятно, самое распространенное органическое (углеродсодержащее) соединение на Земле. Целлюлоза является полисахаридом. Полисахарид – это разновидность углеводов.

Все формы «целлюлозы» НЕ одинаковы и имеют очень разные свойства;

  • Бумага, хлопок и древесная масса являются более привычными формами
  • Микрокристаллическая целлюлоза, белый мелкодисперсный порошок, представляет собой рафинированную форму чистой целлюлозы
  • Существуют также формы целлюлозы или материалов, полученных из целлюлозы, из которых можно сделать прозрачную пленку.Эти пленочные формы можно использовать для изготовления блесток. Эти пленки могут быть изготовлены путем взаимодействия целлюлозы с другими химическими веществами с получением нового материала, такого как целлулоид и ацетат целлюлозы.
  • Другие пленочные материалы могут быть изготовлены из целлюлозы, извлеченной из древесной массы, например, традиционная регенерированная целлюлоза (Cellophane™) и новая форма модифицированной регенерированной целлюлозы, уникально используемая в Bioglitter™.

Однако с точки зрения характеристик биоразлагаемости существует очень значительная разница.

 

Ниже приведены более подробные сведения об этих материалах и информация о нашем мнении об их пригодности для использования в Bioglitter™.

Микрокристаллическая целлюлоза – представляет собой белый порошкообразный продукт, очищенную форму целлюлозы, обычно изготавливаемую из древесной массы. Микрокристаллическая целлюлоза обычно используется в косметике в качестве эксфолианта, не содержащего пластика. В других отраслях он используется в качестве наполнителя или наполнителя. Эта форма целлюлозы не подходит для изготовления гибкой прозрачной пленки, из которой можно изготавливать блестки.

 

Целлулоид – 1860-е

Целлулоид

обычно считается первым синтетическим термопластом, который стал коммерчески доступным в 1860-х годах. Это была первая картина или фотопленка, однако она оказалась легко воспламеняющейся и, как следствие, очень опасной.

 

Ацетат целлюлозы или «ацетат» – 1920-е годы

Ацетат целлюлозы или триацетат целлюлозы также более известен как ацетат. Его получают путем взаимодействия целлюлозы с уксусным ангидридом с получением нового вещества — ацетата целлюлозы.Он был разработан как более безопасная альтернатива целлулоиду и стал коммерчески доступен в 1920-х годах. Ацетат целлюлозы пригоден для промышленного и домашнего компостирования, НО он не разлагается в естественной среде и также является синтетическим термопластом.

Ацетат целлюлозы используется для изготовления сигаретных фильтров и оправ для очков. Разложение ацетата целлюлозы в естественных условиях окружающей среды может занять до 12 лет, а загрязнение окружающей среды сигаретными фильтрами из ацетата целлюлозы очень хорошо задокументировано.

 

Традиционная регенерированная целлюлоза или целлофан™ – 1920-30-е годы

Регенерированная целлюлоза была представлена ​​​​в 1930-х годах как прозрачная пленка, используемая для обертывания пищевых продуктов и конфет. В 1960-1970-х годах, с появлением более дешевых и простых в обращении пластиковых пленок на основе масла, таких как полиэстер, полиэтилен и т. д., они стали менее популярными. В США и некоторых других странах термин «целлофан» стал универсальным и часто неофициально используется для обозначения широкого спектра изделий из пластиковой пленки, даже не изготовленных из целлюлозы, таких как полиэтиленовая пленка.Предполагалось, что традиционная регенерированная целлюлоза, поскольку она основана на целлюлозе, будет иметь хорошие характеристики биоразлагаемости, однако при испытании было обнаружено, что эта форма целлюлозной пленки имеет очень плохие характеристики биоразлагаемости.

 

Модифицированная регенерированная целлюлоза – 2000-е годы

Высокотехнологичная и современная версия традиционной регенерированной целлюлозы, уникальная для Bioglitter™. Натуральная целлюлоза извлекается из древесной массы, предпочтительно из эвкалипта, а затем целлюлоза регенерируется путем отливки в прозрачную пленку.Специально разработан и предназначен для быстрого и безопасного биоразложения.

 

Резюме – Несмотря на то, что некоторые из них содержат слово «целлюлоза» в названии или каким-то образом произошли от целлюлозы, все они совершенно разные по характеристикам биоразлагаемости.

(PDF) Источники целлюлозы и их применение – обзор

Devabaktuni Lavanya et al./ IJDFR, том 2, выпуск 6, ноябрь-декабрь 2011 г.

35 Devabaktuni Lavanya et al. / IJDFR, том 2, выпуск 6, ноябрь-декабрь 2011 г.

[9]. Вашингтон (2000). Вайнер, Майра Л.; Лоис А. Коткоски (2000). Эксципиент Токсичность и безопасность. Нью-Йорк;

Деккер. п. 210.

[10].Акира И.: Химическая модификация целлюлозы. в «Химии древесины и целлюлозы» (редакторы: Hon D.NS.,

Shiraishi N.) Марсель Деккер, Нью-Йорк, 599–626 (2001).

[11] Коннер А.H.: Эксклюзионная хроматография целлюлозы и производных целлюлозы. в «Handbook of Size

Exclusion Chromatography» (изд.: Wu CS.) Марсель Деккер, Нью-Йорк, 331–352 (1995).

[12] Куга С., Браун Р. М. мл.: Серебряная маркировка восстанавливающих концов бактериальной целлюлозы. Углеводы

Research, 180, 345–350 (1988).

[13] Саксена И. М., Боун Р. М.: Биосинтез целлюлозы: современные взгляды и развивающиеся концепции. Анналы ботаники,

96, 9–21 (2005).

[14] Langan P., Nishiyama Y., Chanzy H.: Пересмотренная структура и система водородных связей в целлюлозе II.

Из анализа дифракции нейтронного волокна. Журнал Американского химического общества, 121, 9940–9946 (1999).

[15] Вада М., Хеукс Л., Исогай А., Нишияма Ю., Чанзи Х. Sugiyama J.: Улучшенные структурные данные

целлюлозы III, приготовленной в сверхкритическом аммиаке. Макромолекулы, 34, 1237–1243 (2001).

[16] Шанзи Х., Vincendon M., Henrissat B. и Tanner S.F., Belton P.S.: Твердотельное 13C-ЯМР и электронная микроскопия

исследование обратимого превращения целлюлозы I в целлюлозу IIII в Valonia. Исследование углеводов,

160, 1–11 (1987).

[17] Булеон А., Чанзи Х.: Монокристаллы целлюлозы IVII. Подготовка и свойства. Journal of Polymer

Science: Polymer Physics Edition, 18, 1209–1217 (1980

[18] Klemm D., Heublein B., Fink H-P.Bonn A.: Целлюлоза: увлекательный биополимер и устойчивое сырье

. Angewandte Chemie, International Edition, 44, 3358–3393 (2005).

[19] Браун, Р. М. Изложение позиции: (1995) Микробная целлюлоза: новый ресурс для древесины, бумаги, текстиля,

Пищевые и специальные продукты. Техасский университет, http://www. Ботаника. утексас.

edu/facstaff/facpsages/mbrown/position1.htm

[20] Балтер М. (2009). Одежда делает человека (Ху).Наука, 325 (5946): 1329.

[21] Квавадзе Э., Бар-Йосеф О., Белфер-Коэн А., Боаретто Э., Джакели Н., Мацкевич З., Мешвелиани Т.

(2009). Волокна дикого льна возрастом 30 000 лет. Science, 325(5946):1359

[22] Журнал Whole Earth, № 90, лето 1997

[]23] Farm yan yan, Dduduku krishniah, Mariani rajin, Awang bono* Извлечение целлюлозы из пальмового ядра

торт с использованием жидкофазного окисления. Журнал инженерных наук и технологий Vol.4, № 1 (2009) 57 –

68.

[24].М.Мнуруддин, А.Чоудхури, С.А.Хак, М.Рахман*, С.Ф.Фархад,**М.Сарвар Джахан* и А.

Куайюм. Извлечение и характеристика микрофибрилл целлюлозы из сельскохозяйственных отходов на интегрированном заводе по биопереработке

целлюлоза хим. техн., 45 (5-6), 347-354 (2011).

Влияние двух различных типов нановолокон целлюлозы на свойства композитных пленок из поливинилового спирта

Данная работа посвящена изучению влияния типов волокон и содержания целлюлозных нановолокон на механические, термические и оптические свойства поливинилового спирта (ПВС). композиты.Два разных типа нановолокон целлюлозы, а именно нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ) и бактериальная целлюлоза (БЦ), были приготовлены при различной продолжительности механической обработки, а затем включены в ПВС перед изготовлением композитных пленок. Установлено, что модуль упругости пленки ПВС увеличивается с содержанием нановолокон за счет величины ее процентного удлинения. Термограммы ДСК показывают, что процент кристалличности ПВС увеличился после добавления 2–4 мас.% волокон. Это способствовало улучшению механических свойств композитов.Значения прочности при растяжении нанокомпозитных пленок PVA/BC также превосходили показатели системы PVA/NFC, содержащей ту же волокнистую загрузку. СЭМ-изображения композитных пленок показывают, что поверхность излома при растяжении ПВС/БЦ испытала более пластическую деформацию, чем аналог ПВС/НФК. Вышеупомянутые несоответствия обсуждались в свете различий между двумя типами волокон с точки зрения диаметра и их внутренних свойств. Наконец, процентное значение общего коэффициента пропускания видимого света композитными пленками ПВС превышало 90%, независимо от типа волокна и его содержания.

1. Введение

Целлюлоза, полисахарид с линейной цепью -(1→4)-D-глюкопиранозы, является одним из самых распространенных природных биополимеров в мире [1–3]. Целлюлозные нановолокна, такие как нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ) и бактериальная целлюлоза (БЦ), вызывают все больший интерес в качестве армирующих полимеров благодаря их превосходным механическим свойствам, более высокому соотношению размеров, более высокой кристалличности и более низкому коэффициенту теплового расширения по сравнению с целлюлозой микронного размера. волокна [4–10].NFC может быть получен как из источника целлюлозы I, такого как древесные волокна, хлопок и сельскохозяйственные культуры, так и из источника целлюлозы II, такого как волокна лиоцелла, с использованием различных методов, таких как измельчение, гомогенизация под высоким давлением и обработка ультразвуком [1, 3, 11–13]. ]. NFC представляет собой фибриллу целлюлозы с высоким соотношением сторон диаметром 10–100 нм и длиной в десятки микрон [3, 11, 12, 14–16]. Альтернативно другой тип наноцеллюлозы может быть получен путем ферментации сахара грамотрицательными бактериями Acetobacter xylinumor Gluconacetobacter xylinus [5, 6, 17, 18].Этот тип целлюлозного материала известен как бактериальная целлюлоза (БЦ). Диаметры нановолокон БЦ находятся в диапазоне 25–200 нм [19]. Сообщалось, что эффективный модуль ВС нитей, исследованный с помощью рамановской спектроскопии [17, 20] и атомно-силовой микроскопии [18], находится в диапазоне 79–114 ГПа, что близко к значению 138 ГПа для кристаллического модуля целлюлоза I [21, 22]. Это связано с его более высокой степенью кристалличности.

NFC и BC считаются следующими возобновляемыми добавками для производства высокоэффективных биокомпозитов.Как фибриллы NFC, так и BC широко используются для армирования широкого спектра полимеров, таких как поли(молочная кислота) [5, 10, 11, 14], полипропилен [13], акриловая смола [23], поликапролактон [24], поли(винилацетат) [25] и поли(виниловый спирт) [26], чтобы назвать несколько примеров, для создания композитов с улучшенными механическими свойствами. Керо и др. [5] приготовили композиты из полимолочной кислоты, армированные ВС, с использованием компрессионного формования. Было обнаружено, что предел прочности при растяжении и модуль Юнга композитов PLA, содержащих 18 % объемной доли волокон BC, увеличиваются на 315 % и 100 % до 218 МПа и 13   ГПа соответственно по сравнению с чистой полимолочной кислотой.Присутствие ВС фибрилл в полимере также может вызывать кристаллизацию полимера. Спрессованные в листы пленки БЦ также пропитывали фенольной смолой для получения высокопрочных композитов [18]. Прочность на растяжение и модуль Юнга композитов, армированных ВС, при массовой доле эквивалентного волокна 87,6% были повышены до 425 МПа и 28 ГПа соответственно. Также было обнаружено, что NFC улучшает механические свойства некоторых полимеров. Полипропиленовые композиты, армированные NFC (10 мас.%), были изготовлены методом компрессионного формования.Сообщалось об улучшении модуля Юнга и напряжения растяжения на 45% и 52% по сравнению с чистым полипропиленом, а также было обнаружено, что NFC действует как зародышеобразующий агент в полипропиленовой матрице [13]. Иватаке и др. [14] изучали механические свойства пленки поливинилового спирта (ПВС), армированной НФЦ, и обнаружили, что прочность на разрыв нанокомпозитной пленки, отлитой из раствора, в два раза выше, чем у чистого ПВС. Модуль Юнга и предел прочности при растяжении PLA увеличились на 40% и 25%, соответственно, без снижения предела текучести после добавления 10  вес.% NFC.

Несмотря на то, что диаметры как БЦ, так и НФЦ значительно малы (менее 100 нм) [27], чистота и кристаллическая структура двух целлюлозных нановолокон различаются. BC представляет собой по существу чистую целлюлозу, тогда как NFC состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и пектина. В полукристаллической фазе целлюлозы существуют две различные кристаллические структуры, то есть целлюлоза и целлюлоза. ЧУ богат целлюлозой, в то время как NFC на растительной основе богат. В связи с этим интересно сравнить армирующую эффективность обоих волокон наноцеллюлозы в полимерных композитах.Ли и др. [19] показали, что механические свойства эпоксидных нанокомпозитов, содержащих БЦ, могут отличаться от свойств эпоксидного композита, армированного НФЦ, в зависимости от загрузки волокна. Накагайто и др. [18] также изучали механические свойства фенольной смолы, армированной листом ВС, и обнаружили, что модуль Юнга композитов был значительно выше, чем у композитов на основе NFC (28 ГПа против 19 ГПа, соответственно). Ли и др. [27] сравнили механические свойства полимерных нанокомпозитов, армированных NFC и BC, рассмотрев графики зависимости прочности на растяжение от модуля упругости обеих систем.Линейная зависимость наблюдалась в случае полимерных нанокомпозитов, армированных ВС, тогда как зависимость полимерных нанокомпозитов, армированных НФЦ, была более разбросанной. Модуль растяжения и прочность полимерного нанокомпозита, армированного ВС (60 об.%), были выше, чем у полимерных нанокомпозитов, армированных НФЦ (90 об.%). Микромеханические модели также использовались для прогнозирования механических свойств полимерных нанокомпозитов, армированных как БЦ, так и НФК. Отрицательное отклонение от прогноза наблюдалось, когда объемная доля наноцеллюлозы превышала 10 об.%.Это означает, что внутренняя высокая жесткость на растяжение отдельных целлюлозных нановолокон еще не полностью использована.

В этом исследовании интерес представляли термомеханические и физические свойства нанокомпозитов, армированных наноцеллюлозой и поли(виниловым спиртом). Поливиниловый спирт (ПВС) был использован в качестве модельной матрицы для приготовления нанокомпозитов благодаря его растворимости в воде, легкой технологичности и прозрачности. Композиты из поливинилового спирта, армированного BC и NFC, были приготовлены методом литья из растворителя.Предполагается, что хорошая межфазная адгезия и совместимость между целлюлозными нановолокнами и фазой полимерной матрицы связаны с тем, что поливиниловый спирт также является гидрофильным, как сообщалось ранее [11]. Насколько известно авторам, ранее не сообщалось о сравнении между фибриллами BC и NFC по физическим, термическим и механическим свойствам композитов на основе поливинилового спирта. Целью данной работы является исследование влияния содержания СУ и НФК на теплофизические и механические свойства полимерных композитов.Пропускание видимого света композитами также измеряли и сравнивали с чистой полимерной смолой. В конце концов, ожидалось, что знания, полученные в результате этого исследования, с точки зрения взаимосвязей структура-свойства, будут полезны для дальнейшей разработки других родственных нанокомпозитов УНВ/полимер. Это включает в себя изготовление прозрачной герметизирующей пленки для модулей солнечных батарей с повышенными барьерными свойствами из сополимера этилена и винилацетата (EVA), что является аспектом нашей будущей работы.

2. Экспериментальный
2.1. Химические вещества

Частично гидролизованный атактический поли(виниловый спирт) (ПВС) (98% гидролиз, средневесовая молекулярная масса 72000 г моль -1 ) был получен от Fluka. Бактериальная целлюлоза (БЦ) была получена от Kurabfood Co. Ltd. (Samut Songkhram, Таиланд). Перед использованием его очищали, промывая кипящей водой в течение 10 мин три раза. Конечная концентрация ВС составляла 1% по массе. Нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ), доступная в виде шлама (10% масс. в воде), была приобретена у компании Daicel Finechem Ltd.(Токио, Япония). Затем суспензию NFC дополнительно разбавляли дистиллированной водой и перемешивали при комнатной температуре в течение 24 ч, чтобы получить суспензию NFC с концентрацией 1% масс. Перед смешиванием с полимером оба типа нановолокон дезинтегрировали с помощью высокоскоростного блендера в разное время (10, 20, 30, 40, 50 и 60 мин). Примечательно, что после механической обработки волокна проявлялись в виде неоседающих помутнений в супернатанте (рис. 1). Это указывает на присутствие целлюлозных нановолокон, как это наблюдали Chen et al.[28] Морфология и значения среднего диаметра обработанных волокон также были исследованы с использованием сканирующего электронного микроскопа и анализатора изображений. Не менее 20 волокон были случайным образом выбраны из нескольких изображений СЭМ каждого образца для определения среднего диаметра.

2.2. Приготовление композитных пленок из нановолокна ПВС/целлюлоза

Чистые растворы ПВС готовили путем растворения заданного количества порошка ПВС (от 1 до 10% по массе) непосредственно в деионизированной воде. Для приготовления раствора ПВС/нановолокна целлюлозы (УНВ) нановолокна целлюлозы вводили в ПВС путем добавления заданного количества порошка ПВС в водный раствор нановолокон, а затем перемешивали при 95°С в течение 2 ч до полного их растворения. [12].Нанокомпозитную пленку ПВА/УНВ, отлитую из раствора, затем изготавливали путем заливки раствора в чашку Петри перед сушкой при 60°С в течение 22 часов или до достижения постоянного веса. Толщина отлитых пленок составляла примерно 80 мкм.

2.3. Методика спектроскопии

Отлитые пленки разрезали на образцы квадратной формы размером  см 2 , и спектры поглощения УФ/видимой области различных образцов регистрировали на спектрофотометре Shimadzu UV-3100 в диапазоне длин волн от 200 до 1000 нм.Коэффициент пропускания видимого света определяли в соответствии со стандартным методом ISO 9050. Пропускание света через полимерную пленку интегрировали в диапазоне длин волн 400–700 нм. Были измерены и зарегистрированы значения как общего, так и рассеянного светопропускания. Линейное светопропускание также было определено и сообщено путем вычитания общего и рассеянного значений.

2.4. Микроструктура и морфология

Метод сканирующей электронной микроскопии с автоэлектронной эмиссией (FEG-SEM) использовали для определения диаметра подготовленных волокон с использованием аппарата (NOVA NANOSEM450, FEITM).Перед экспериментом с СЭМ образец СЭМ был подготовлен следующим образом. Суспензию волокон (1% по массе) дополнительно разбавляли водным раствором с концентрацией 0,0001% по массе. Затем раствор капали на образец SEM и сушили в печи при 100°C в течение 48 часов или до достижения постоянного веса. Затем высушенный образец покрывали золотом (Au), чтобы избежать эффекта зарядки во время сканирования электронным лучом, с использованием метода напыления золота (устройство для нанесения покрытия SPI-moduleTM, S/N 10081).

Эксперимент SEM проводился при ускоряющем напряжении 15 кВ.Кроме того, морфологию различных композитов также исследовали с помощью установки JEOL (JSM 6610), оснащенной детектором вторичных электронов, при ускоряющем напряжении 15 кВ. Образцы SEM были приготовлены путем разрушения прямоугольных образцов для испытаний при 0 ° C, значительно ниже PVA. Перед проведением СЭМ поверхность образцов покрывали золотом (Au).

2.5. Тест механических свойств

Механические свойства нанокомпозитов определяли с помощью универсальной испытательной машины (LLOYD; LR 50 K).Образцы прямоугольной формы (1 дюйм 5 дюймов) были приготовлены путем разрезания высушенных пленок штампом в соответствии со стандартом ASTM D882. Используемая расчетная длина составляла 50 мм, а испытание на растяжение проводилось при скорости траверсы 500 мм мин -1 с использованием тензодатчика 1 кН. Для каждого образца было испытано не менее пяти образцов, и средние значения модуля Юнга, предела прочности при разрыве и удлинения при разрыве были рассчитаны с использованием стандартных уравнений, а затем зарегистрированы. Прочность на растяжение также рассчитывали, используя площадь под кривой напряжения-деформации.

2.6. Характеристики термических свойств

Термические характеристики ПВС и различных композитов определяли с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) (DSC 204 Cell/NETZSCH Thermal Analysis). Используемая скорость нагревания составляла 10°C мин -1 , и образец сканировали при температуре от 25°C до 250°C в атмосфере азота, используя образец массой около 10 мг. Термическую стабильность полимерных нанокомпозитов также определяли методом термогравиметрического анализа (ТГА).Эксперимент по ТГА проводили на приборе NETZSCH (прибор STA 409 PC/4/H Luxx Simultaneous TG DTA/DSC). Было использовано около 10 мг образца, и эксперимент TGA был просканирован при температурах в диапазоне от 25°C до 600°C в атмосфере азота при скорости нагревания 10°C мин -1 .

3. Результаты и обсуждение
3.1. Морфология подготовленных волокон

На рис. 2 представлены изображения FEG-SEM целлюлозных нановолокон, полученных при различной продолжительности механической обработки.В начале (короткое время обработки) на поверхности НФЦ наблюдались формы сетчатой ​​структуры. По мере увеличения времени механической обработки под ней развивалось больше волоконной сети. Диаметр волокон относительно мал по сравнению с их длиной, что означает, что нановолокна целлюлозы имеют высокое соотношение размеров. Однако из-за внутреннего непрерывного выравнивания волоконной сети длину волокна нельзя определить по этим изображениям. Средние значения диаметра BC и NFC, определенные из изображений SEM с использованием программы анализа изображений, показаны на рисунке 3.Видно, что значения диаметра обоих волокон значительно уменьшились после прохождения процесса механической обработки (высокоскоростное смешивание). Это свидетельствует о том, что волокна распались. Среднее значение диаметра БК уменьшилось с 1,371  мкм м до 0,049  мкм м после перемешивания в течение 20 мин. После этого диаметр постепенно уменьшался со временем. Например, средние значения диаметра PVA/BC, подвергшихся обработке в течение 30, 50 и 60 мин, оказались равными 0.049 (±0,01), 0,043 (±0,01) и 0,044 (±0,01)  мкм м соответственно. Точно так же значения диаметра волокон NFC быстро уменьшались со временем механической обработки в течение первых 20 минут, после чего диаметр медленно менялся со временем. Поэтому в данной работе для изготовления нанокомпозитных пленок БЦ и НФК, полученные механической обработкой волокна в течение 60 мин, использовали для дальнейшего смешивания с поливиниловым спиртом.



3.2. Механические свойства композитных пленок

Были рассчитаны параметры растяжения, и изменения свойств ПВС при растяжении в зависимости от типа волокна и его содержания показаны на рисунках 4–6.Независимо от типа волокон модуль упругости композита увеличивался с увеличением содержания волокон за счет значений их процентного удлинения. Например, модуль чистого образца ПВС увеличился со 126 МПа до более чем 260 МПа после добавления 6–10% масс. волокон ВС. Аналогичным образом, после добавления 8 мас.% NFC модуль композита ПВС увеличился примерно до 200 МПа. Это было связано с армирующим действием волокон ПВС [29]. Ожидается, что волокна будут хорошо совместимы с матрицей ПВС из-за того, что и ПВС, и поверхность волокон содержат гидроксильные функциональные группы, и между фазами могут возникать водородные связи.Это взаимодействие может вызвать эффективную передачу напряжения от матрицы к УНВ, и могут быть получены лучшие механические свойства. В случае чистого образца ПВС указанный эффект отсутствовал. Из рисунков 4–6 также следует отметить, что механические свойства композита ПВС, содержащего ВС, выше, чем механические свойства композита ПВС, содержащего волокно NFC, при условии, что использовался тот же уровень целлюлозных нановолокон. Прочность на растяжение полимерной пленки увеличивалась с содержанием волокна ВС.Композитные пленки ПВС/БЦ также были более прочными по сравнению с чистой пленкой ПВС. Приведенные выше результаты были аналогичны результатам, полученным Lee et al. в исследовании механических свойств эпоксидной смолы, армированной целлюлозными нановолокнами (УНВ) [19]. В этом случае предел прочности на разрыв эпоксидного нанокомпозита, армированного ВС, был немного выше, чем у эпоксидного нанокомпозита, армированного НФЦ, несмотря на то, что первая система содержит меньшее количество наноцеллюлозы. Эффект обсуждался в свете критической поверхностной энергии ВС, которая выше, чем у НФК.Точно так же Nakagaito et al. [18] также изучали механические свойства фенольной смолы, армированной листом ВС, и обнаружили, что значения модуля упругости композитов выше, чем у фенольных композитов, армированных МФЦ.




В нашем настоящем исследовании следует отметить, что побеление под напряжением наблюдалось во всех композитах ПВС/БЦ во время испытания на растяжение, независимо от содержания волокон БЦ. Известно, что побеление полимеров при напряжении связано с образованием пустот и/или собственным растрескиванием.Это может быть вызвано присутствием наноцеллюлозы, которая, в свою очередь, вносит неоднородность в полимерную матрицу. Из-за значительных различий в модулях Юнга целлюлозы и матрицы может образоваться растрескивание, а массивное растрескивание способствовало лучшей прочности на растяжение композитов ПВА/ВС. Однако указанная выше особенность не характерна для композитов ПВА/НФК. Это произошло из-за более высокого модуля Юнга одиночных волокон для BC по сравнению с NFC. Работа Tanpichai et al.[4] показали, что эффективные модули одиночных фибрилл БК и НФК находились в пределах 79–88 и 29–36 ГПа соответственно. Считалось, что различие, скорее всего, связано с меньшей степенью кристалличности НФЦ по сравнению с БЦ [30].

3.3. Морфология нанокомпозитов

На рис. 7 показаны СЭМ-изображения поверхности излома при растяжении различных композитных пленок ПВС. Видно, что шероховатость поверхности ПВС/БЦ (2 мас.%) больше, чем у ПВС/НФК, содержащего такое же количество волокон.При увеличении содержания волокна шероховатость поверхности ПВС/НФЦ (6% по массе) немного увеличилась, тогда как шероховатость поверхности ПВС/ВС (6% по массе) демонстрирует более пластическую или пластическую деформацию. Это свидетельствует о том, что нанокомпозиты ПВС/НФК были более хрупкими, чем системы ПВС/БЦ. Приведенное выше утверждение хорошо согласуется с результатами испытаний на растяжение (рис. 3–6), и это можно объяснить аналогичным образом. Также были предприняты попытки исследовать наличие целлюлозных нановолокон (УНВ) в матрице ПВА из криоразрушенных образцов.Результаты, представленные на рис. 8, показывают, что УНВ хорошо совместим с ПВС, принимая во внимание тот факт, что волокна хорошо внедряются в полимерную матрицу и не происходит резкого разделения фаз или образования пустот на границе раздела. Поскольку содержание УНВ было дополнительно увеличено с 2% по массе до 6% по массе, следы волокна не могут быть четко видны, особенно для системы ПВС/ВС. На наш взгляд, эта особенность означает, что две фазы стали более смешиваемыми. Вероятно, это связано с сильным взаимодействием Н-связей между двумя фазами.



3.4. Тепловые характеристики

Следует также учитывать изменения тепловых характеристик полимера в зависимости от типа и содержания волокон. Результаты термограмм ДСК (рис. 9) показывают, что энтальпия плавления ПВС увеличивается при добавлении 2% масс. нановолокон целлюлозы, независимо от типа УНВ. Это означает, что процент кристалличности ПВС в композитах выше, чем у чистого ПВС. Это также означает, что ВС может выступать в качестве своего рода зародышеобразователя, увеличивая скорость кристаллизации и процент кристалличности ПВС.Следовательно, модуль упругости материала увеличился. Однако при дальнейшем увеличении количества УНВ до 8 мас.% значения энтальпии снова уменьшались (табл. 1). Похоже, что способность волокна выступать в качестве зародышеобразователя снизилась. Лу и др. [12] наблюдали небольшое увеличение кристалличности ПВС при добавлении небольшого количества (<5 мас.%) микрофибриллированной целлюлозы. При высокой загрузке волокон, вероятно, некоторые волокна были агрегированы, что привело к меньшей площади поверхности раздела между ПВС и УНВ.Термическую стабильность нанокомпозитов ПВС также исследовали с помощью термогравиметрического анализа (ТГА). По термограммам (рис. 10 и 11) можно отметить три основных перехода. Первый переход произошел в диапазоне температур от 90 до 130°С и может быть объяснен испарением воды, адсорбированной на поверхности образца. Второй переход, на долю которого приходится около 65% потери веса, происходил в диапазоне температур от 240 до 330°С. Этот переход представляет собой преимущественно характерную деградацию ПВС путем дегидратации (или отщепления воды от молекул ПВС), что приводит к образованию полиенового интермедиата.Наконец, при дальнейшем повышении температуры выше 420°C промежуточный полиен подвергается дальнейшему разрыву цепи, циклизации и молекулярному распаду, что приводит к образованию остаточного твердого вещества или полукокса. Примечательно, что начальная температура деградации () нанокомпозитов ПВС/БЦ и ПВС/НФЦ немного повысилась по сравнению с чистым ПВС. Аналогичный эффект наблюдали Frone et al. [31] в исследовании ПВА, армированного микрокристаллической целлюлозой. Также стоит отметить, что дальнейших попыток исследовать тепловое поведение нанокомпозитов ПВС, содержащих 10 % волокон, не предпринималось.Это было связано с тем, что при таком высоком содержании волокна нельзя ожидать дальнейшего улучшения прочности на растяжение полимерных композитных пленок.



9


материалов содержание волокон (% мас) (° C) Enthalpy (J / G)

PVA 213.0 46.10

ПВС/БК 2 221.0 63,78
4 219,5 62,61
6 211,8 42,91
8 209,7 26,51

ПВС / NFC- 2 2 219.0 70.70
4 212.5 9 58.06 58.06
6 291.8 55.02
8 217.6 44,21




9014 Optical Properties

Процентные значения коэффициента пропускания видимого света нанокомпозитов ПВС, содержащих различные типы и количества волокон, также рассчитаны и сведены в Таблицу 2. Было обнаружено, что общий коэффициент пропускания света композитных пленок ПВС лишь незначительно уменьшился после добавления УНВ, независимо от содержание клетчатки. Приведенные выше результаты можно объяснить тем, что оба типа УНВ также по своей природе полупрозрачны.Кроме того, средний диаметр волокон целлюлозы, находящийся в диапазоне от 40 до 180 нм, значительно мал по сравнению с длиной волны видимого света. Аналогичный результат наблюдали Yano et al. [23] в исследовании оптических свойств эпоксидного композита, армированного ВС. Рассмотрение процентных значений линейного пропускания двух композитных систем показало, что значения PVA/BC были выше, чем у (PVA/NFC), при условии, что использовался тот же уровень нагрузки волокна. Другими словами, значения процентного коэффициента диффузного пропускания для PVC/NFC были выше, чем для PVA/BC.Это означает, что путь светового луча многократно меняет направление при прохождении через образец. Другими словами, внутри образцов ПВС/НФЦ наблюдалось большее рассеяние света. Вероятно, это связано с большим диаметром подготовленного NFC (рис. 3). Кроме того, играет роль фактическая длина волокна и степень дисперсности каждого волокна в матрице ПВС. Для прояснения этого вопроса еще предстоит провести дополнительную работу. Тем не менее, суммарные значения коэффициента пропускания в видимой области всех композитных пленок превышают 90% независимо от типа волокна.Композитные пленки, по-видимому, остаются прозрачными (рис. 12). Наши результаты показывают, что было возможно улучшить механические и термические свойства ПВС без скарификации большой прозрачности видимого света, смешивая его с подходящим типом и содержанием нановолокон целлюлозы. Дополнительные области применения целлюлозных нановолокон можно расширить, смешав их с другой прозрачной полимерной матрицей. Это включает в себя разработку нанокомпозитных пленок из сополимера этилена и винилацетата (ЭВА) и целлюлозного волокна для использования в качестве высокоэффективного герметика для солнечных элементов.Это аспект нашей будущей работы.

+
90 379 Материалы 90 381 Пропускание * (%) 6,025062

Примеры Волокна Линейный Диффузный Итого
Имя Содержание (% мас ) коэффициент пропускания коэффициент пропускания коэффициент пропускания

ПВА 0 28,97 91,59

ПВС / BC 2 76,14 14,94 91,08
ПВС / БК 4 72,08 18,36 90.44
ПВС / БК 6 74,52 15,92 90,44
ПВС / BC 8 66,99 23,71 90,70
ПВС / BC 10 68.92 21,47 90,39

ПВС / NFC 2 76,37 14,75 91,12
ПВС / NFC 4 51,97 38,29 90.26
PVA / NFC 6 61.69 61.69 89.02 89.71 89.71
PVA / NFC 8 53.84 34.62 88.46
PVA / NFC 10 48.63 38.63 38.53 87.16 87.16

* Видимый ассортимент
4. Выводы

Механические, термические и оптические свойства нанокомпозитов поливинилового спирта (ПВС), содержащих два различных типа целлюлозных нановолокон (УНВ): бактериальную целлюлозу (БЦ) и нанофибриллированную целлюлозу (НФЦ). ), были исследованы.Установлено, что прочность на растяжение нанокомпозитов ПВС, содержащих БЦ, выше, чем у системы, содержащей НФК. Результаты были связаны с различиями между двумя волокнами с точки зрения среднего диаметра и их внутренних свойств. Способность обоих типов УНВ выступать в качестве зародышеобразователя для ПВС была подтверждена термограммами ДСК, что способствовало повышению механических свойств полимерных нанокомпозитов. Термическая стабильность нанокомпозитов ПВС также была повышена по сравнению с чистым ПВС.Процент пропускания видимого света нанокомпозитными пленками превышал 90%, независимо от типа волокна и его содержания. В целом, в этом исследовании мы обнаружили, что волокна BC имеют лучшую эффективность, чем NFC, с точки зрения армирования поли(винилового спирта).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Подтверждение

Эта работа была поддержана Центром нанотехнологий (NANOTEC), NSTDA, Министерством науки и технологий Таиланда, в рамках его программы Center of Excellence Network.

синтез, функциональные свойства и применение

Nanotechnol Sci Appl. 2015 г.; 8: 45–54.

Johnsy George

Отдел пищевой инженерии и упаковки, Защитная исследовательская лаборатория пищевых продуктов, Сиддартханагар, Майсур, Карнатака, Индия

SN Sabapathi

Отдел пищевой инженерии и упаковки, Защитная исследовательская лаборатория пищевых продуктов, Сиддартанагар, Майсур, Карнатака, Индия

Отдел пищевой инженерии и упаковки, Лаборатория оборонных исследований пищевых продуктов, Сиддартанагар, Майсур, Карнатака, Индия

Корреспонденция: Джонси Джордж, Отдел пищевой инженерии и упаковки, Лаборатория оборонных пищевых исследований, Баннур-роуд, Сиддартанагар, Майсур 570 011, Карнатака, Индия, электронная почта moc [email protected]Авторское право © Джордж и Сабапати, 2015 г. Эта работа опубликована Dove Medical Press Limited и находится под лицензией Creative Commons Attribution — Non Commercial (unported, v3.0) License. Полные условия лицензии доступны по адресу http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0. /. Некоммерческое использование работы разрешено без какого-либо дополнительного разрешения от Dove Medical Press Limited при условии, что работа правильно указана. Эта статья цитировалась в других статьях в PMC.

Abstract

Нанокристаллы целлюлозы представляют собой уникальные наноматериалы, полученные из самого распространенного и почти неисчерпаемого природного полимера – целлюлозы.Эти наноматериалы вызвали значительный интерес из-за их механических, оптических, химических и реологических свойств. Нанокристаллы целлюлозы, полученные в основном из встречающихся в природе целлюлозных волокон, являются биоразлагаемыми и возобновляемыми по своей природе, и поэтому они служат устойчивым и экологически чистым материалом для большинства применений. Эти нанокристаллы в основном гидрофильны по своей природе; однако их поверхность можно функционализировать для удовлетворения различных сложных требований, таких как разработка высокоэффективных нанокомпозитов с использованием гидрофобных полимерных матриц.Учитывая постоянно растущие междисциплинарные исследования нанокристаллов целлюлозы, этот обзор направлен на сопоставление имеющихся знаний об источниках, химической структуре, физических и химических процедурах выделения, а также на описание механических, оптических и реологических свойств нанокристаллов целлюлозы. нанокристаллы целлюлозы. Особое внимание уделяется инновационным применениям в различных областях, таких как биомедицинская инженерия, материаловедение, электроника, катализ и т. д., в которых могут использоваться эти нанокристаллы целлюлозы.

Ключевые слова: источники целлюлозы, механические свойства, жидкокристаллическая природа, модификация поверхности, нанокомпозиты растения. Помимо растений, целлюлоза также присутствует в самых разных живых организмах, таких как водоросли, грибы, бактерии и даже в некоторых морских животных, таких как оболочники. 1 Целлюлоза представляет собой волокнистый, прочный и нерастворимый в воде полимер, который играет важную роль в поддержании структуры клеточных стенок растений.Более того, целлюлоза является биоразлагаемым, биосовместимым и возобновляемым природным полимером и, следовательно, считается альтернативой неразлагаемым полимерам на основе ископаемого топлива. Химическая структура целлюлозы () показывает, что полимер, образующийся при конденсации, состоит из мономеров, соединенных между собой гликозидными кислородными мостиками. Целлюлоза состоит из β-1,4-связанных звеньев глюкопиранозы, образующих высокомолекулярный линейный гомополимер, в котором каждое мономерное звено закручено штопором на 180° по отношению к соседним. 2 Повторяющееся звено этого природного полимера представляет собой димер глюкозы, известный как целлобиоза. Степень полимеризации целлюлозы может варьироваться в зависимости от источника и составляет примерно 10 000 единиц глюкозы для целлюлозы, полученной из древесины, и 15 000 единиц для целлюлозы, полученной из хлопка. 3 Каждое звено глюкопиранозы несет три гидроксильные группы, которые придают целлюлозе некоторые характерные свойства, такие как гидрофильность, хиральность, биоразлагаемость и т. д., которые обусловлены высокой реакционной способностью гидроксильных групп. 1 Способность этих гидроксильных групп образовывать прочные водородные связи является основной причиной некоторых других свойств, таких как многоуровневая микрофибриллированная структура, иерархическая организация (кристаллические и аморфные фракции) и высокая когезионная природа. 4

Химическая структура целлюлозы, представляющей собой линейный полимер, состоящий из звеньев β-D-глюкопиранозы, ковалентно связанных (1–4) гликозидными связями.

Основные источники целлюлозы

Основными источниками целлюлозы являются растения; однако водоросли, бактерии и некоторые морские животные также способны производить целлюлозу в больших количествах. 5 Краткое описание основных источников выглядит следующим образом.

Растения

Растения являются потенциальными основными источниками целлюлозы, поскольку они широко распространены и относительно дешевы. Основным источником целлюлозы является древесная масса и хлопковое волокно. В настоящее время имеется крупномасштабная промышленная инфраструктура для их сбора, переработки и добычи. Широкое разнообразие других растительных материалов, таких как джут, рами, сизаль, лен, конопля и т. д., также являются хорошо известными источниками для производства целлюлозы. 6 Другие растения, производящие целлюлозу, включают водные растения, травы и некоторые части растений, такие как листья, стебли, плоды и т. д. Также используются сельскохозяйственные отходы, такие как пшеничная и рисовая солома, жмых сахарного тростника, опилки, хлопковые конюшни и т. д. для производства целлюлозы.

Водоросли

Нативная целлюлоза является основным компонентом клеточной стенки многих видов водорослей, обладающих высокой степенью кристалличности. Известно, что различные виды водорослей, такие как красные, зеленые и желтые, производят целлюлозу; однако зеленые водоросли являются наиболее предпочтительными для экстракции целлюлозы.Обычные целлюлозообразующие водоросли относятся к отрядам Cladophorales ( Cladophora, Chaetomorpha, Rhizoclonium и Microdyction ) и Siphonocladales ( Valonia, Dictyosphaeria, Siphonocladus и Boergesenia ). 7 Целлюлоза, полученная из Valonia или Cladophora , обладает исключительно высокой степенью кристалличности, которая может достигать 95%. 8 В зависимости от процесса биосинтеза, протекающего у разных видов, свойства получаемых микрофибрилл целлюлозы также могут различаться.

Бактерии

Некоторые виды бактерий, например, Komagataeibacter xylinus , которые встречаются в качестве загрязняющих веществ во время ферментации уксуса, хорошо известны тем, что производят целлюлозу за счет использования большого количества источников азота и углерода. 9 K. xylinus продуцирует микрофибриллы целлюлозы в виде прозрачных, плоских и толстых пленок, плавающих на поверхности питательной среды. 10 Эти целлюлозные пленки содержат чистую целлюлозу, а также большое количество воды и других ингредиентов среды.Разбавленные щелочные растворы способны гидролизовать и удалять примеси, присутствующие в целлюлозной пленке. 11 После щелочной обработки и промывки целлюлозные пленки можно высушить и переработать в чистые целлюлозные мембраны. Целлюлоза микробного происхождения уникальна и имеет ряд преимуществ по сравнению с целлюлозой растительного происхождения, поскольку первая обладает лучшими свойствами, такими как 1) уникальная наноструктура, 2) чистота, 3) более высокая размерная стабильность, 4) большая механическая прочность и 5) большая способность к держите воду. 12 Микробная целлюлоза идентична растительной целлюлозе по своей молекулярной формуле и полимерной структуре, но эти две формы отличаются расположением гликозильных звеньев в элементарных ячейках кристаллитов, что приводит к более высокой кристалличности первой. По сравнению с растительной целлюлозой микробная целлюлоза также обладает высокой степенью полимеризации и превосходными свойствами.

Туникаты

Туникаты — морские беспозвоночные морские животные, хорошо известные производством целлюлозы в больших количествах.У этих животных толстая кожистая мантия, которая является хорошим источником клетчатки. Целлюлоза действует как скелетная структура в тканях туник, которая представляет собой уникальную покровную ткань, покрывающую весь эпидермис оболочников. 13 Целлюлоза вырабатывается этими животными с использованием ферментных комплексов, присутствующих в мембране эпидермиса. В природе существует большое количество видов оболочников, и свойства полученной целлюлозы могут варьироваться от вида к виду. Структура и свойства микрофибрилл целлюлозы, полученных из разных видов, часто сопоставимы, но небольшие различия в процессе формирования микрофибрилл целлюлозы могут повлиять на конечные свойства микрофибрилл.

Иерархическое расположение целлюлозы

Целлюлоза синтезируется в виде отдельных молекул с длинной цепью, но в месте биосинтеза она подвергается вращению в иерархическом порядке с образованием ансамблей целлюлозных волокон. Многие отдельные целлюлозные цепи собираются вместе, образуя элементарные фибриллы (протофибриллы), имеющие приблизительный диаметр 3,5 нм. 14 В зависимости от источника диаметр элементарных фибрилл может варьироваться в диапазоне 2–20 нм, и они обнаруживаются в различной упаковке в зависимости от условий, управляющих биосинтезом.Микрофибриллы образуются путем агрегации элементарных фибрилл путем коалесценции, которая используется как механизм снижения свободной энергии поверхностей. 15 Это явление агрегации поддерживается силами Ван-дер-Ваальса, а также внутри- и межмолекулярными водородными связями. Молекулы целлюлозы, которые агрегируются с образованием микрофибрилл, имеют различную ориентацию в зависимости от источника. Агрегаты микрофибрилл также состоят из плотно упакованных цепей целлюлозы, образующих кристаллиты, которые стабилизированы сложными и прочными водородными связями, а также из некоторых менее упорядоченных цепочек, образующих аморфные области. 16 В зависимости от существующих меж- и внутримолекулярных взаимодействий и ориентации молекул целлюлоза может существовать в виде различных полиморфов или алломорфов. Уже идентифицировано шесть взаимозаменяемых полиморфов, а именно целлюлоза I, II, III I , III II , IV I и IV II , содержание которых варьируется в зависимости от источника целлюлозы. 17 Нативная целлюлоза обычно имеет кристаллическую структуру целлюлозы I, но опять-таки подразделяется на алломорфы Iα и Iβ. 18 Целлюлоза Iα имеет триклинную структуру, тогда как Iβ имеет моноклинную кристаллическую структуру. 19 Целлюлоза, полученная из микробных и водорослевых источников, богата Iα, в то время как целлюлоза, образующая клеточные стенки высших растений, богата Iβ. Эти микрофибриллы собираются в более крупные единицы, называемые макрофибриллами, которые, в свою очередь, собираются вместе, образуя знакомые целлюлозные волокна.

Нанокристаллы целлюлозы и их выделение

Массовая целлюлоза природного происхождения состоит из высокоупорядоченных кристаллических областей, а также некоторых неупорядоченных (аморфных) областей в различных пропорциях, в зависимости от ее источника. 20 Когда эти микрофибриллы подвергаются надлежащему сочетанию механической, химической и ферментной обработки, могут быть извлечены высококристаллические области микрофибрилл целлюлозы, что приводит к образованию нанокристаллов целлюлозы (CNC). 21 CNC представляют собой жесткие стержнеобразные частицы, состоящие из сегментов цепей целлюлозы с почти идеальной кристаллической структурой. Эти нанокристаллы также называют вискерами, наночастицами, нановолокнами, микрокристаллитами и т. д., но наиболее широко принятой номенклатурой является CNC. 2 По сравнению с объемной целлюлозой, в которой больше аморфных фракций, эти нанокристаллы обладают высокой удельной прочностью, модулем, большой площадью поверхности и уникальными жидкокристаллическими свойствами.

Несколько механических процессов, таких как гомогенизация под высоким давлением, высокоинтенсивная ультразвуковая обработка, методы микрофлюидизации, криодеструкция и т. д., использовались для экстракции микрофибрилл целлюлозы. Эти механические процессы создают достаточно сил сдвига, чтобы разделить волокна целлюлозы вдоль продольной оси и помочь извлечь микрофибриллы целлюлозы.Каждая микрофибрилла целлюлозы лишена цепочечной укладки и может рассматриваться как цепочка кристаллов целлюлозы, связанных вдоль микрофибриллы неупорядоченными или паракристаллическими областями. 22 Химический метод преобразования микрофибрилл целлюлозы в КНК ​​лучше механических, поскольку первый снижает потребление энергии, а также дает стержнеобразные короткие нанокристаллы с улучшенной кристалличностью. Образцы лентовидных нановолокон, полученные из древесной целлюлозы после механической очистки, имеют более низкую кристаллическую фракцию (0.05–0,55) по сравнению с стержневидным древесным КНЦ (0,6), полученным после кислотного гидролиза. 23 Гидролиз сильной кислоты обычно используется для удаления аморфных доменов, равномерно распределенных вдоль микрофибрилл. Сильные кислоты легко проникают в аморфные области с низким уровнем упорядоченности и гидролизуют их, не затрагивая кристаллические области.

Коллоидные суспензии целлюлозы были впервые синтезированы Ranby 24 в 1951 году с использованием контролируемой катализируемой серной кислотой деградации целлюлозных волокон.Разложение, вызванное кипячением целлюлозных волокон в кислом растворе, достигло предела после определенного периода обработки. Трансмиссионная электронная микроскопия и электронографические исследования подтвердили наличие игольчатых частиц целлюлозы, которые обладали той же кристаллической структурой, что и исходные волокна целлюлозы. 25 , 26 Кислотный гидролиз целлюлозы с последующей ультразвуковой обработкой позже привел к развитию микрокристаллической целлюлозы. 27 Различия в кинетике гидролиза между аморфными и кристаллическими доменами привели к селективному расщеплению цепей целлюлозы. 28 В результате кислотного гидролиза наблюдалось быстрое снижение степени полимеризации, которое достигло порогового уровня, известного как выравнивающая степень полимеризации (LODP). Значение LODP варьируется в зависимости от происхождения целлюлозы: целлюлоза, полученная из хлопка, имеет LODP 250, 300 для волокон рами, 140–200 для волокон отбеленной древесной массы и до 6000 для целлюлозы, полученной из Valonia . 29 32 ЦНК, полученные кислотным гидролизом целлюлозы из бактерий, оболочников или Valonia , проявляют высокую полидисперсность по молекулярной массе, без каких-либо признаков LODP, вероятно, из-за отсутствия регулярного распределение аморфных доменов. Сообщалось о новой концепции получения целлюлозных наноматериалов, в соответствии с которой ферментативный гидролиз использовался в сочетании с механическим сдвигом и гомогенизацией под высоким давлением, что приводило к контролируемой фибрилляции вплоть до наноразмера для получения целлюлозных наноматериалов диаметром ~ 5–6 нм. 33 Сообщалось также, что бактериальные CNC были выделены с использованием коммерчески доступного фермента целлюлазы в сочетании с механическим сдвигом, что изображено на рис. 34 Нанокристаллы, полученные этим способом, показали лучшие механические и термические свойства по сравнению с нанокристаллами, полученными сернокислотным гидролизом.

Нанокристаллы бактериальной целлюлозы, выделенные с использованием коммерчески доступного фермента целлюлазы в сочетании с механическим сдвигом.

Примечания: АСМ-изображения волокон бактериальной целлюлозы ( A ), волокон бактериальной целлюлозы после механической дезинтеграции ( B ), нанокристаллов бактериальной целлюлозы, полученных ферментативной обработкой через 12 часов ( C ), и остатков, полученных после завершения гидролиз ( D ).Перепечатано из Джорджа Дж., Рамана К.В., Бава А.С., Сиддарамая. Нанокристаллы бактериальной целлюлозы, обладающие высокой термостойкостью, и их полимерные нанокомпозиты. Inter J Biol Macromol , 2011;48:50–57. 34 Copyright © 2011, с разрешения Elsevier Limited.

Сокращение: АСМ, атомно-силовая микроскопия.

Продолжительный гидролиз может привести к дальнейшему снижению молекулярной массы, поэтому для получения КНК кислотный гидролиз должен быть остановлен после достижения LODP. 35 Высококристаллические домены целлюлозы устойчивы к гидролизу в течение более длительного времени по сравнению с неупорядоченными или аморфными участками и поэтому легко отделяются от кислой среды. Условия обработки, используемые в процессе гидролиза, такие как время реакции, используемая температура и т. д., очень важны для контроля выхода и качества CNC. При недостаточном времени гидролиза остаются аморфные фракции, что может привести к снижению кристалличности и изменению морфологии частиц.Точно так же, если позволить реакции продолжаться в течение длительного времени, это может привести к деполимеризации кристаллической целлюлозы, что уменьшит соотношение сторон нанокристаллов. Температура также является критическим фактором, поскольку более высокие температуры реакции оказываются эффективными для получения более коротких CNC. 36

Размеры CNC

Геометрические размеры CNC, такие как длина и ширина, могут варьироваться в зависимости от происхождения микрофибрилл целлюлозы и условий кислотного гидролиза, таких как время, температура, чистота и т. д.CNC демонстрирует относительно широкое распределение по длине и ширине из-за диффузионно-контролируемого характера процесса гидролиза. Размеры ЧПУ в зависимости от источника и метода подготовки приведены в .

Таблица 1

Обзор размеров нанокристаллов целлюлозы в зависимости от источника и метода получения

0 100-300 100-1000
Источник Метод получения Длина (нм) Отношение ширины 90 (нм) ) Ссылка
дерева H 2 так 4 Гидролиз 100-300 3-5 20-100 37 45
хлопок HCl Гидролиз 100-150 5-10 10-30 10-30 38
RAMIE H 2 так 4 Гидролиз 70-200 5-15 ~ 12 39 99
Sisal H 2 так 4 Гидролиз 3-5 ~ 60245 40
Valonia H 2 SO 2 SO 4 Гидролиз 1000-2000 10-200 50-200 41
Тунички H 2 SO 4 Гидролиз> 1000245 10-20 ~ 100 ~ 100 42 42
бактерий H 2 SO 4 гидролиз 10-50 2-100 43
Бактерии HCl гидролиз 160–420 15–25 7–23 44

от 3 нм до 50 нм.Сообщается, что КНК, полученные из древесины, имеют диаметр и длину в диапазоне 3–5 нм и 100–300 нм соответственно. 37 УНК, полученные из хлопка, имеют диаметр 5–10 нм и длину 100–150 нм, а Рами – 70–200 нм и 5–15 нм соответственно. 38 , 39 Аналогично КНК из сизаля имели длину в диапазоне 100–300 нм и диаметр в диапазоне 3–5 нм. 40 Морские водоросли, такие как Valonia ventricosa , производят CNC, имеющие размеры в диапазоне 20 нм в диаметре и 1000–2000 нм в длину, в то время как морские животные, такие как оболочники, производят нанокристаллы с диаметром 10–20 нм и 500–2000 нм длина. 41 , 42 УНК, полученные из бактериальной целлюлозы гидролизом HCl, имеют диаметр и длину в диапазоне 10–20 нм и 100–300 нм соответственно, а H 2 SO 4 гидролиз произвел бактериальный CNC с более высоким соотношением сторон. 43 , 44 Геометрическое соотношение сторон CNC, то есть отношение длины к диаметру (L/D), очень важно для определения усиливающей способности CNC.CNC, имеющие высокое соотношение сторон, обычно демонстрируют лучшую армирующую способность. Соотношение сторон также играет важную роль в формировании перколяционных сетей, которые улучшают механические характеристики полимерных нанокомпозитов. 45

Свойства ЧПУ

Важные свойства ЧПУ можно описать по трем основным категориям, которые кратко обсуждаются ниже.

Механические свойства

Ограничения в измерении механических свойств наноматериалов по нескольким осям сделали количественную оценку модуля упругости и прочности CNC чрезвычайно сложной задачей.Кроме того, на результаты могут влиять различные факторы, такие как анизотропия, дефекты в нанокристаллах, процент кристалличности, размеры образцов и т. д. Теоретические расчеты и косвенные экспериментальные измерения с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеноструктурного анализа, неупругого рассеяния рентгеновских лучей, комбинационного рассеяния и т.д. использовались для расчета упругих свойств УНК. 46 Теоретическая прочность на растяжение CNC оказалась в диапазоне 7.5–7,7 ГПа, что значительно больше, чем у стальной проволоки и кевлара ® -49. 46 В другом исследовании модуль упругости CNC, полученного из оболочников, определяли с помощью АСМ, при этом наконечник АСМ использовался для проведения теста на трехточечный изгиб. Установлено, что модули упругости НЦ составляют ~150 ГПа. 47 С помощью АСМ был также определен поперечный модуль упругости CNC путем сравнения экспериментальных кривых сила-расстояние с трехмерными конечно-элементными расчетами. 48 Это измерение показало, что поперечный модуль индивидуального НЦ находится в диапазоне 18–50 ГПа. Анализ микромеханики деформации вискеров оболочечной целлюлозы с использованием рамановской спектроскопии показал, что расчетный модуль НЦ оболочника составляет ~143 ГПа. 49

Жидкокристаллическая природа CNC

В подходящих условиях и при критических концентрациях все асимметричные палочковидные или пластинчатые частицы спонтанно образуют упорядоченные структуры, что приводит к образованию нематической фазы.Стержнеобразные CNC при диспергировании в воде самовыравниваются с образованием хиральных нематических фаз с жидкокристаллическими свойствами. Их жесткость, соотношение сторон и способность выравниваться при определенных условиях делают их идеальными для проявления жидкокристаллического поведения. Однако известно, что кристаллиты целлюлозы имеют спиральную закрутку вдоль длинной оси, похожую на винт, что может привести либо к хиральной нематической, либо к холестерической фазе сложенных друг на друга плоскостей, выровненных вдоль перпендикулярной оси, в зависимости от концентрации. 46 Различные факторы, такие как размер, заряд, форма, дисперсность, электролит и внешние раздражители, также могут влиять на жидкокристалличность CNC. Жидкокристалличность нанокристаллов в сочетании с двулучепреломляющей природой приводит к интересным оптическим явлениям. Тип кислоты, используемой для гидролиза, также может влиять на жидкокристаллическую природу. ЦНК, полученные сернокислотным гидролизом, часто имеют отрицательно заряженную поверхность, что способствует равномерному диспергированию в воде за счет электростатического отталкивания. 50 Несмотря на сильное взаимодействие между нанокристаллами, высокосульфированный CNC легко диспергируется, что приводит к развитию лиотропного поведения. 51 CNC, полученные из серной и фосфорной кислот, обычно дают хиральную нематическую структуру, тогда как CNC, полученные из соляной кислоты, с постреакционным сульфированием образуют двулучепреломляющую стеклообразную фазу.

Реологические свойства

На реологические параметры CNC влияют такие свойства, как жидкокристалличность, упорядоченность и свойства гелеобразования.Разбавленные суспензии CNC проявляют свойство разжижения при сдвиге, которое показывает зависимость от концентрации при низких скоростях. При более высоких концентрациях, при которых суспензии лиотропны, они проявляют аномальное поведение. Основная причина такого поведения заключается в том, что нанокристаллы в форме стержней стремятся выровняться при критической скорости сдвига. Когда скорость сдвига достигает критической точки, хиральность суспензии CNC нарушается в пользу простой нематической структуры. 52 Кроме того, постоянная времени релаксации зависит от соотношения сторон, и ЧПУ с более высокими соотношениями сторон остаются выровненными в течение более длительного времени даже после сдвига.Тип кислоты, используемой для гидролиза, также может влиять на реологические свойства суспензий CNC. Кристаллы, обработанные серной кислотой, демонстрируют некоторое истончение при сдвиге, которое не зависит от времени, в то время как кристаллы, полученные из HCl, демонстрируют гораздо более высокое истончение при сдвиге, антитиксотропию при более низких концентрациях и тиксотропию при более высоких концентрациях. 53

Модификация поверхности CNC

CNC имеют очень высокое отношение поверхности к объему, а также большое количество гидроксильных групп, что делает его пригодным для многих типов функционализации поверхности.Внедряя любую химическую функциональность на их поверхность, можно изменить тип взаимодействия материала с окружающей средой. Обычно используемые функционализации поверхности для CNC: этерификация, этерификация, окисление, амидирование, карбамирование, нуклеофильное замещение, силилирование, прививка полимера и т. д. поверхности, что в конечном итоге обеспечивает лучшую дисперсию в любом растворителе/полимере.Это также помогает настроить характеристики поверхностной энергии для улучшения совместимости, особенно при использовании вместе с неполярными или гидрофобными полимерными матрицами. 2 Этерификация включает превращение поверхностных гидроксилов целлюлозы в сложные эфиры. Сульфатирование и фосфорилирование являются некоторыми широко используемыми реакциями этерификации целлюлозы. Этерификация является еще одной важной химической модификацией, и наиболее распространенной практикой является использование хлорида глицидилтриметиламмония или его производных для катионизации поверхности целлюлозы. 55 Мягкие щелочные условия катионирования сохраняют кристаллическую морфологию и размеры CNC. 56 Поверхностно-карбоксилированные CNC с различными размерами и степенью окисления были синтезированы с использованием TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил)-опосредованного окисления хлопка. 57 В методе амидирования в качестве исходного материала использовались окисленные CNC, при этом фрагменты карбоновой кислоты превращались в амидные продукты путем их взаимодействия с первичным амином. 58 Араки и др. применили этот метод для ковалентного связывания полиэтиленгликоля с поверхностью целлюлозы, и были синтезированы стабилизированные суспензии CNC в различных растворителях. 38 В реакции карбамирования изоцианаты использовались для модификации CNC. О модификации поверхности CNC с использованием изоцианатов сообщил Сикейра и др., которые модифицировали CNC на основе сизаля с помощью n -октадецилизоцианата без какого-либо катализатора. 59 Силаны также могут быть привиты к CNC, что является одним из методов, используемых для улучшения взаимодействия с полимерными матрицами.Возможно, химическая модификация КНК наиболее полезна в области создания полимерных нанокомпозитных материалов. Однако основная проблема в этом процессе заключается в сохранении исходной морфологии и поддержании целостности ЧПУ.

Применение КНК

КНК является подходящим наноматериалом для широкого круга применений, таких как иммобилизация ферментов, синтез противомикробных и медицинских материалов, зеленый катализ, биозондирование, синтез носителя лекарств в терапевтической и диагностической медицине и т. д. 60 , 61 Эти наноматериалы обладают несколькими потенциальными преимуществами в качестве наполнителей для доставки лекарств благодаря своим свойствам, таким как меньший размер, гидрофильность, биосовместимость и т. д. 62 Благодаря очень большой площади поверхности и возможности приобретения отрицательного заряда во время гидролиза большие количества лекарств могут быть связаны с поверхностью этих материалов с возможностью оптимального контроля дозирования. 62 В одном из таких отчетов CNC, приготовленные из древесины хвойных пород, использовались для связывания ионизируемых лекарств, таких как тетрациклин и доксорубицин, которые могли быстро высвобождаться в течение 1 дня. 63 Обилие поверхностных гидроксильных групп, присутствующих в нанокристаллах, обеспечивает места для модификации поверхности рядом химических групп. Модификацию поверхности можно использовать для модуляции загрузки и высвобождения лекарственных средств, которые обычно не связываются с целлюлозой, таких как неионизированные или гидрофобные лекарственные средства. 64 Аэрогели на основе CNC также вызывают растущий интерес в биомедицинских и фармацевтических применениях из-за их структуры с открытыми порами и большой площадью поверхности, которые могут обеспечить повышенную биодоступность лекарственного средства и лучшую способность загрузки лекарственного средства. 65 Сообщалось, что высокопористые каркасы аэрогеля из наноцеллюлозы обеспечивают устойчивое высвобождение лекарств, что также открыло новые возможности в качестве носителей для контролируемой доставки лекарств. 66

Использование CNC для различных применений может быть двух основных типов: один тип включает использование функционализированных или нефункционализированных синтетических CNC, а другой — использование полимерных нанокомпозитов, где CNC действует как армирующий агент. . Благодаря своим отличительным свойствам, только что синтезированные ЧПУ могут использоваться в различных приложениях, начиная от таких продуктов, как нанобумага, барьерные пленки и датчики pH, заканчивая стабилизацией границ раздела масло/вода и производством эмульсий Пикеринга. с выдающейся стабильностью и т. д., но полимерные нанокомпозиты, содержащие CNC, имеют гораздо больше применений. 67 70

Полимерный нанокомпозит представляет собой многофазный материал, в котором полимерная фаза армирована наноматериалом. Эти полимерные нанокомпозиты обладают уникальными свойствами из-за их нанометрического размера и увеличенной площади поверхности армирующего материала. CNC используется в качестве несущего компонента во многих полимерных нанокомпозитных системах, поскольку он может значительно улучшить механические свойства даже при очень низких объемных долях.Кроме того, его высокое соотношение размеров, хорошая дисперсия в гидрофильных системах и способность образовывать перколированную сетчатую архитектуру внутри полимерной матрицы делают его широко предпочтительным армирующим компонентом. В области полимерных нанокомпозитов КНК ​​также используются в качестве модельных нанонаполнителей с определенной морфологией для придания достаточной прочности и модуля. Для изготовления нанокомпозитов используются как природные, так и синтетические полимеры. Некоторые природные полимеры, такие как крахмал, хитозан, натуральный каучук, бутират ацетата целлюлозы, карбоксиметилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, желатин и соевый белок, используются при приготовлении нанокомпозитов. 71 77 Также используются некоторые синтетические полимеры, такие как поливиниловый спирт (ПВС), поливинилхлорид, полиэтилен, поликапролактон, полипропилен и полиуретан. 78 82

Основная задача в достижении отличных характеристик заключается в достижении однородной дисперсии нанокристаллов в полимерной матрице и хорошего взаимодействия матрицы с наполнителем. Хорошая диспергируемость НЦ в полимерной матрице является необходимым условием для получения полимерных нанокомпозитов с лучшими свойствами, так как неоднородное диспергирование наполнителя в полимерной матрице снижает конечные механические свойства нанокомпозитного материала. 83 CNC могут образовывать стабильные коллоидные дисперсии в воде и, следовательно, они лучше всего подходят для водорастворимых или вододиспергируемых полимеров, таких как латексы. Однако устойчивые дисперсии наночастиц целлюлозы в неполярных растворителях также можно получить с помощью поверхностно-активных веществ или поверхностной химической прививки. Среди них использование метода прививки полимера в некоторых случаях предпочтительнее из-за наличия ковалентной связи между компатибилизатором и нанокристаллом. 84 Кроме того, если привитые цепи и матрица одинаковы, можно получить лучшую совместимость за счет образования ко-непрерывной фазы.

С помощью метода химической прививки различные функциональные молекулы, такие как флуоресцентные молекулы, ДНК и т. д., также могут быть прикреплены к поверхности CNC, которые можно использовать для закрепления в биологической среде. Также возможно диспергировать вискеры целлюлозы в органическом растворителе без добавления поверхностно-активного вещества или какой-либо химической модификации. 85 Кроме того, в ряде случаев более высокое диспергирование КНК приводит к образованию перколяционной сетки нанокристаллов внутри полимерной матрицы, что также способствует улучшению свойств полимерных нанокомпозитов.

Эти типы нанокомпозитов используются для изготовления биомиметических пен, закаленной бумаги, гибких панелей для плоских дисплеев, водоотталкивающих материалов и бумаги с высокой степенью защиты. 86 89 Они также полезны для различных биомедицинских применений, таких как пластыри для заживления ран, каркасы тканевой инженерии и гидрогели для клинических и фармакологических применений и т. д. Принимая во внимание биосовместимость ЧПУ и возможность химических модификаций, таких как флуоресцентной маркировки, CNC потенциально полезны в области биомедицинских приложений, таких как биосенсоры, биозонды, флуоресцентные биоанализы, приложения для биовизуализации и так далее. 90 Флуоресцентно меченые CNC позволяют использовать методы флуоресценции для изучения взаимодействия между CNC и живыми клетками in vivo. 91 ЧПУ также способны формировать высокофункциональные нанокомпозиты для таких применений, как материалы для сверхтонких пленочных покрытий. 92 ЧПУ также можно использовать для стабилизации наночастиц определенной функциональности для конкретных приложений. Полимерные нанокомпозиты, содержащие CNC, также используются для разработки мембран, волокон, текстиля, аккумуляторов, суперконденсаторов, электроактивных полимеров, а также датчиков и приводов, использующих электромеханические реакции. 93 , 94 Одной из будущих областей применения полимерных нанокомпозитов, содержащих CNC, могут стать биоразлагаемые упаковочные материалы. Включение CNC может значительно улучшить механические характеристики, термическую стабильность, барьерные и оптические свойства благодаря его улучшенной кристалличности и лучшему межфазному взаимодействию. Биоразлагаемые нанокомпозитные пленки с превосходными свойствами также могут найти свое применение в пищевой и биомедицинской упаковке, где крайне необходима более низкая проницаемость для влаги, газов, ароматов и масел. 95 В ходе одного исследования сообщалось о барьерных мембранах на основе ПВА, содержащих различное количество CNC. 96 Было обнаружено, что эти мембраны, содержащие до 10 весовых процентов CNC, снижают скорость пропускания водяного пара. Присутствие высококристаллических нанокристаллов может увеличить извилистость водяного пара внутри полимера, что приведет к замедлению процесса диффузии и, следовательно, к снижению проницаемости. Барьерные свойства улучшаются, если наполнитель менее проницаем и имеет хорошую дисперсию в матрице при высоком коэффициенте формы.Тем не менее, необходимо решить многие научные и технологические проблемы в нескольких областях, таких как оптимизация подходящих технологий обработки для снижения производственных затрат, установление совместимости между продуктами и упаковочными материалами, соблюдение нескольких законодательных актов по упаковке и т. д., прежде чем будет получен действительно биоразлагаемый упаковочный материал. который удовлетворяет как отраслевым требованиям, так и ожиданиям потребителей.

Заключение

CNC является уникальным среди ряда других наноструктурированных материалов благодаря своим преимуществам, таким как возобновляемый, устойчивый, нетоксичный и биосовместимый наноматериал.Благодаря своим нанометровым размерам, большому соотношению сторон и превосходным механическим и химическим свойствам ЧПУ имеет множество потенциальных применений во многих областях, включая материаловедение, электронику и медицину. Появляющиеся промышленные процессы экстракции для получения CNC в больших количествах необходимо оптимизировать для достижения более высокого выхода и качества. До сих пор большая часть исследований была сосредоточена на характеристике морфологических, механических, оптических и жидкокристаллических свойств CNC, но изучение различных процессов модификации поверхности для управления функциональностью CNC, не затрагивая присущие ему свойства, будет основным направлением будущих исследований. .Такой подход сделает ЧПУ привлекательным для использования в широком спектре промышленных приложений, таких как высокоэффективное биоразлагаемое материаловедение, электроника, биомедицинская инженерия, доставка лекарств, катализ и т. д. Инновации в этой области могут привести к созданию универсальных наноматериалов с улучшенными свойствами. В полимерных нанокомпозитных системах достижение равномерного диспергирования и распределения CNC в полимерной матрице по-прежнему является сложной задачей, поскольку обычно встречается агрегация или агломерация. Индивидуальный процесс химической модификации необходим для эффективного включения CNC в различные системы полимерной матрицы.Ожидается, что инновации в области нанотехнологий, связанные с возобновляемыми наноматериалами, такими как ЧПУ, позволят создать технологически продвинутые продукты, не наносящие вреда окружающей среде.

Сноски

Раскрытие информации

Авторы сообщают об отсутствии конфликта интересов в этой работе.

Ссылки

1. Клемм Д., Хойблейн Б., Финк Х.П., Бон А. Целлюлоза: удивительный биополимер и устойчивое сырье. Angew Chem Int Ed. 2005;44:3358–3393. [PubMed] [Google Scholar]2.Хабиби Ю., Люсия Л.А., Рохас О.Дж. Нанокристаллы целлюлозы: химия, самосборка и применение. Chem Rev. 2010; 110:3479–3500. [PubMed] [Google Scholar]3. Шостром Э. Химия древесины: основы и приложения. 2-е изд. Калифорния: Academic Press Inc; 1993. [Google Scholar]4. Лавуан Н., Деслог И., Дюфрен А., Брас Дж. Микрофибриллированная целлюлоза – ее барьерные свойства и применение в целлюлозных материалах: обзор. Карбогидр Полим. 2012;90:735–764. [PubMed] [Google Scholar]5. Джордж Дж., Сабапати С.Н., Сиддарамия.Водорастворимые полимерные нанокомпозиты, содержащие нанокристаллы целлюлозы. В: Thakur VK, Thakur MK, редакторы. Экологичные полимерные нанокомпозиты. Том. 75. Спрингер; Индия, Нью-Дели: 2015. стр. 259–293. [Google Академия]6. Eichhorn SJ, Baillie CA, Zafeiropoulos N, Mwaikambo LY, Ansell MP, et al. Обзор: текущие международные исследования целлюлозных волокон и композитов. J Mater Sci. 2001;36:2107–2131. [Google Академия]7. Мигранян А. Целлюлоза из кладофоровых зеленых водорослей: от экологической проблемы к высокотехнологичным композиционным материалам.J Appl Polym Sci. 2011;119:2449–2460. [Google Академия]8. Сугияма Дж., Выонг Р., Чанзи Х. Электронографическое исследование двух кристаллических фаз, встречающихся в нативной целлюлозе из клеточной стенки водорослей. макромол. 1991; 24:4168–4175. [Google Академия]9. Масаока С., Охе Т., Сакота Н. Производство целлюлозы из глюкозы с помощью Acetobacterxylinum. Джей Фермент Биоинж. 1993; 75:18–22. [Google Академия] 10. Джордж Дж., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Бава А.С. Физико-механические свойства химически обработанной бактериальной (Acetobacterxylinum) целлюлозной мембраны.World J Microbiol Biotechnol. 2005;21:1323–1327. [Google Академия] 11. Джордж Дж., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Джаганнатх Дж.Х., Бава А.С. Характеристика химически обработанного бактериального (Acetobacterxylinum) биополимера: некоторые термомеханические свойства. Int J Биол Макромоль. 2005; 37: 189–194. [PubMed] [Google Scholar] 12. Браун Р.М., младший. Бактериальная целлюлоза. В: Кеннеди, Филипс, Уильямс, редакторы. Целлюлоза: структурно-функциональные аспекты. Эллис Хорвуд; Чичестер: 1989. стр. 145–151. [Google Академия] 13.Чжао И, Ли Дж. Превосходная химическая и материальная целлюлоза из оболочников: разнообразие выхода целлюлозы, а также химических и морфологических структур из разных видов оболочников. Целлюлоза. 2014;21:3427–3441. [Google Академия] 14. Фрей-Висслинг А. Тонкая структура микрофибрилл целлюлозы. Наука. 1954; 119: 80–82. [PubMed] [Google Scholar] 15. Петерлин А., Инграм П. Морфология фибрилл вторичной стенки хлопка. Textile Res J. 1970; 40: 345–354. [Google Академия] 16. Mazeau K, Heux L. Моделирование молекулярной динамики объемных природных кристаллических и аморфных структур целлюлозы.J Phys Chem B. 2003;107:2394–2404. [Google Академия] 17. Бринчи Л., Котана Ф., Фортунати Э., Кенни Дж.М. Производство нанокристаллической целлюлозы из лигноцеллюлозной биомассы: технология и применение. Карбогидр Полим. 2013; 94: 154–169. [PubMed] [Google Scholar] 18. Аталла Р.Х., Вандерхарт Д.Л. Нативная целлюлоза: смесь двух различных кристаллических форм. Наука. 1984; 223: 283–285. [PubMed] [Google Scholar] 19. Debzi EM, Chanzy H, Sugiyama J, Tekely P, Excoffier G. Преобразование Iα → Iβ высококристаллической целлюлозы путем отжига в различных средах.макромол. 1991; 24:6816–6822. [Google Академия] 20. Ньюман Р.Х., Хеммингсон Дж.А. Углерод-13 ЯМР различие между категориями молекулярного порядка и беспорядка в целлюлозе. Целлюлоза. 1995; 2: 95–110. [Google Академия] 21. Домингес Р.М., Гомеш М.Е., Рейс Р.Л. Потенциал нанокристаллов целлюлозы в стратегиях тканевой инженерии. Биомакромолекулы. 2014;15:2327–2346. [PubMed] [Google Scholar] 22. де Соуза Лима М.М., Борсали Р. Стержнеобразные микрокристаллы целлюлозы: структура, свойства и применение. Макромол Рапид Комм.2004; 25: 771–787. [Google Академия] 23. Sacui IA, Nieuwendaal RC, Burnett DJ, Stranick SJ, Jorfi M, et al. Сравнение свойств нанокристаллов целлюлозы и нанофибрилл целлюлозы, выделенных из бактерий, оболочников и древесины, обработанных кислотными, ферментативными, механическими и окислительными методами. Интерфейсы приложений ACS. 2014;6:6127–6138. [PubMed] [Google Scholar] 24. Рэнби БГ. Коллоидные свойства мицелл целлюлозы. Обсудить Faraday Soc. 1951; 11: 158–164. [Google Академия] 25. Мукерджи С.М., Сикорский Дж., Вудс Х.Дж.Электронная микроскопия деградированных целлюлозных волокон. J Текст Инст. 1952; 43: Т196–Т201. [Google Академия] 26. Мукерджи С.М., Вудс Х.Дж. Рентгено- и электронно-микроскопические исследования деградации целлюлозы серной кислотой. Биохим Биофиз Acta. 1953; 10: 499–511. [PubMed] [Google Scholar] 27. Баттиста О.А., Смит П.А. Микрокристаллическая целлюлоза. J Ind Eng Chem. 1962; 54: 20–29. [Google Академия] 28. Маршессо Р.Х., Морхед Ф.Ф., Кох Дж.М. Гидродинамические свойства нейтральных суспензий кристаллитов целлюлозы в зависимости от размера и формы.J Коллоидная наука. 1961; 16: 327–344. [Google Академия] 29. Баттиста ОА. Гидролиз и кристаллизация целлюлозы. Ind Eng Chem. 1950; 42: 502–507. [Google Академия] 30. Нишияма Ю., Ким У.Дж., Ким Д.Ю., Кацумата К.С., Мэй Р.П., Ланган П. Периодическое расстройство вдоль микрофибрилл целлюлозы рами. Биомакромолекулы. 2003;4:1013–1017. [PubMed] [Google Scholar] 31. Баттиста О.А., Коппик С., Хаусмон Дж.А., Морхед Ф.Ф., Сиссон В.А. Выровняйте степень полимеризации. Ind Eng Chem. 1956; 48: 333–335. [Google Академия] 32. Кай А. Тонкая структура гельпроникающих хроматографических исследований микрофибрилл валония целлюлозы валония.Сен-и Гаккаиси. 1976; 32: Т326–Т334. [Google Академия] 33. Паакко М., Анкерфорс М., Косонен Х., Нюканен А., Ахола С. и др. Ферментативный гидролиз в сочетании с механическим сдвигом и гомогенизацией под высоким давлением для получения наноразмерных фибрилл целлюлозы и прочных гелей. Биомакромолекулы. 2007; 8: 1934–1941. [PubMed] [Google Scholar] 34. Джордж Дж., Рамана К.В., Бава А.С., Сиддарамаях Нанокристаллы бактериальной целлюлозы, обладающие высокой термостойкостью, и их полимерные нанокомпозиты. Интер Джей Биол Макромол. 2011;48:50–57.[PubMed] [Google Scholar] 35. Хаканссон Х., Альгрен П. Кислотный гидролиз некоторых промышленных целлюлоз: влияние условий гидролиза и сырья. Целлюлоза. 2005; 12: 177–183. [Google Академия] 36. Elazzouzi-Hafraoui S, Nishiyama Y, Putaux JL, Heux L, Dubreuil F, Rochas C. Форма и распределение по размерам кристаллических наночастиц, полученных кислотным гидролизом нативной целлюлозы. Биомакромоль. 2008; 9:57–65. [PubMed] [Google Scholar] 37. Бек-Канданедо С., Роман М., Грей Д.Г. Влияние условий реакции на свойства и поведение суспензий нанокристаллов древесной целлюлозы.Биомакромолекулы. 2005; 6: 1048–1054. [PubMed] [Google Scholar] 38. Араки Дж., Вада М., Куга С. Стерическая стабилизация суспензии микрокристаллов целлюлозы путем прививки полиэтиленгликоля. Ленгмюр. 2001; 17:21–27. [Google Академия] 39. де Менезес А.Дж., Сикейра Г., Курвело А.А., Дюфрен А. Экструзия и характеристика полиэтиленовых нанокомпозитов, армированных функциональными целлюлозными вискерами. Полимер. 2009;50:4552–4563. [Google Академия]40. Де Родригес Н.Л.Г., Тилеманс В., Дюфрен А. Усы из сизалевой целлюлозы, армированные поливинилацетатными нанокомпозитами.Целлюлоза. 2006; 13: 261–270. [Google Академия] 41. Револь Дж-Ф. О форме поперечного сечения кристаллитов целлюлозы Valoniaventricosa . Карбогидр Полим. 1982; 2: 123–134. [Google Академия]42. Кимура Ф., Кимура Т., Тамура М., Хираи А., Икуно М., Хории Ф. Магнитное выравнивание хиральной нематической фазы суспензии микрофибрилл целлюлозы. Ленгмюр. 2005;21:2034–2037. [PubMed] [Google Scholar]43. Джордж Дж., Бава А.С., Сиддарамия Синтез и характеристика нанокристаллов бактериальной целлюлозы и их нанокомпозитов ПВА.Adv Mater Res. 2010; 123:383–386. [Google Академия]44. George J, Siddaramaiah Высококачественные съедобные нанокомпозитные пленки, содержащие нанокристаллы бактериальной целлюлозы. Карбогидр Полим. 2012;87:2031–2037. [Google Академия] 45. Пэн Б.Л., Дхар Н., Лю Х.Л., Там К.С. Химия и применение нанокристаллической целлюлозы и ее производных: перспектива нанотехнологии. Может ли J Chem Eng. 2011; 9999:1–16. [Google Академия] 46. Мун Р.Дж., Мартини А., Нэрн Дж., Симонсен Дж., Янгблад Дж. Обзор целлюлозных наноматериалов: структура, свойства и нанокомпозиты.Chem Soc Rev. 2011;40:3941–3994. [PubMed] [Google Scholar]47. Ивамото С., Кай В., Исогай А., Ивата Т. Модуль упругости отдельных микрофибрилл целлюлозы из оболочника, измеренный с помощью атомно-силовой микроскопии. Биомакромоль. 2009;10:2571–2576. [PubMed] [Google Scholar]48. Лахиджи Р.Р., Сюй Х., Райфенбергер Р., Раман А., Руди А., Мун Р.Дж. Атомно-силовая микроскопия характеристик нанокристаллов целлюлозы. Ленгмюр. 2010; 26:4480–4488. [PubMed] [Google Scholar]49. Стуркова А., Дэвис Г.Р., Эйххорн С.Дж. Модуль упругости и свойства передачи напряжения вискеров оболочечной целлюлозы.Биомакромоль. 2005; 6: 1055–1061. [PubMed] [Google Scholar]50. Револ Дж.Ф., Брэдфорд Х., Гиассон Дж., Маршессо Р.Х., Грей Д.Г. Геликоидальная самоупорядоченность микрофибрилл целлюлозы в водной суспензии. Int J Биол Макромоль. 1992; 14: 170–172. [PubMed] [Google Scholar]51. Ортс В.Дж., Годбаут Л., Маршессо Р.Х., Револ Д.Ф. Улучшенное упорядочение жидкокристаллических суспензий микрофибрилл целлюлозы: исследование малоуглового рассеяния нейтронов. макромол. 1998; 31: 5717–5725. [Google Академия]52. Азизи Самир МАС, Аллоин Ф., Санчес Дж.Ю., Эль Кисси Н., Дюфрен А.Получение нанокомпозитов, армированных целлюлозными вискерами, из суспензии органической среды. макромол. 2004; 37: 1386–1393. [Google Академия]53. Араки Дж., Вада М., Куга С., Окано Т. Влияние поверхностного заряда на поведение вязкости суспензии микрокристаллов целлюлозы. Дж. Вуд Научный. 1999; 45: 258–261. [Google Академия]54. Эйли С., Тилеманс В. Модификация поверхности нанокристаллов целлюлозы. Наномасштаб. 2014; 6: 7764–7779. [PubMed] [Google Scholar]55. Zaman M, Xiao H, Chibante F, Ni Y. Синтез и характеристика катионно-модифицированной нанокристаллической целлюлозы.Карбогидр Полим. 2012; 89: 163–170. [PubMed] [Google Scholar]56. Хасани М., Крэнстон Э.Д., Вестман Г., Грей Д.Г. Катионная функционализация поверхности нанокристаллов целлюлозы. Мягкая материя. 2008;4:2238–2244. [Google Академия] 57. Монтанари С., Румани М., Хью Л., Виньон М.Р. Топохимия нанокристаллов карбоксилированной целлюлозы, образующихся в результате ТЕМПО-опосредованного окисления. макромол. 2005; 38: 1665–1671. [Google Академия] 58. Azzam F, Heux L, Putaux JL, Jean B. Получение путем прививки, характеристика и свойства нанокристаллов целлюлозы, декорированных термочувствительным полимером.Биомакромоль. 2010;11:3652–3659. [PubMed] [Google Scholar]59. Сикейра Г., Брас Дж., Дюфрен А. Усы целлюлозы по сравнению с микрофибриллами: влияние природы наночастиц и функционализации их поверхности на тепловые и механические свойства нанокомпозитов. Биомакромоль. 2008; 10: 425–432. [PubMed] [Google Scholar] 60. Романи М., Шупин Д., Хирани А., Юн В.Л. Серия симпозиумов ACS. Том. 1017. Издательство Оксфордского университета; 2009. Нанокристаллы целлюлозы для доставки лекарств; стр. 81–91. [Google Академия] 61.Lam E, Male KB, Chong JH, Leung AC, Luong JH. Применение функционализированной и модифицированной наночастицами нанокристаллической целлюлозы. Тенденции биотехнологии. 2012; 30: 283–290. [PubMed] [Google Scholar]62. Тахери А., Мохаммади М. Использование нанокристаллов целлюлозы для потенциального применения в местной доставке гидрохинона. Chem Biol Drug Des. 2015; 86: 102–106. [PubMed] [Google Scholar]63. Джексон Дж.К., Летчфорд К., Вассерман Б.З., Йе Л., Хамад В.Ю., Берт Х.М. Применение нанокристаллической целлюлозы для связывания и контролируемого высвобождения лекарственных средств.Int J Наномедицина. 2011;6:321. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]64. Ахлаги С.П., Берри Р.С., Там К.С. Модификация поверхности нанокристаллов целлюлозы олигосахаридом хитозана для доставки лекарств. Целлюлоза. 2013; 20:1747–1764. [Google Академия] 65. Garcia-Gonzalez CA, Alnaief M, Smirnova I. Аэрогели на основе полисахаридов — перспективные биоразлагаемые носители для систем доставки лекарств. Карбогидр Полим. 2011;86:1425–1438. [Google Академия]66. Вало Х., Арола С., Лааксонен П., Торккели М., Пелтонен Л. и др.Высвобождение лекарств из наночастиц, встроенных в четыре различных аэрогеля из нанофибриллярной целлюлозы. Eur J Pharm Sci. 2013;50:69–77. [PubMed] [Google Scholar]67. Ноги М., Ивамото С., Накагайто А.Н., Яно Х. Оптически прозрачная бумага из нановолокна. Adv Mater. 2009;21:1595–1598. [Google Академия] 68. Бельбекхуш С., Брас Дж., Сикейра Г., Чаппи С., Лебрен Л. и др. Водосорбционные свойства и газонепроницаемые свойства целлюлозных нитевидных кристаллов и пленок из микрофибрилл. Карбогидр Полим. 2011;83:1740–1748. [Google Академия] 69.Нильсен Л.Дж., Эйли С., Тилеманс В., Эйлотт Дж.В. Двойное флуоресцентное мечение нанокристаллов целлюлозы для определения pH. хим.комм. 2010;46:8929–8931. [PubMed] [Google Scholar]70. Калашникова И., Бизо Х., Катала Б., Капрон И. Модуляция амфифильных свойств нанокристаллов целлюлозы для стабилизации границы раздела нефть/вода. Биомакромоль. 2011; 13: 267–275. [PubMed] [Google Scholar]71. Мэтью А. П., Дюфрен А. Морфологическое исследование нанокомпозитов из крахмала, пластифицированного сорбитом, и усов туницина. Биомакромоль.2002; 3: 609–617. [PubMed] [Google Scholar]72. де Мескита Дж.П., Донничи К.Л., Перейра Ф.В. Нанокомпозиты на биооснове из послойной сборки нановискеров целлюлозы с хитозаном. Биомакромоль. 2010; 11: 473–480. [PubMed] [Google Scholar]73. Bendahou A, Habibi Y, Kaddami H, Dufresne A. Физико-химическая характеристика пальмы из phoenix dactylifera–L, приготовление целлюлозных усов и нанокомпозитов на основе натурального каучука. J на биооснове Mater Bio. 2009; 3:81–90. [Google Академия] 74. Грюнерт М., Винтер В.Т.Нанокомпозиты бутирата ацетата целлюлозы, армированные нанокристаллами целлюлозы. J Полим Окружающая среда. 2002; 10: 27–30. [Google Академия] 75. Choi Y, Simonsen J. Нанокомпозиты карбоксиметилцеллюлозы, наполненные нанокристаллами целлюлозы. J Nanosci Нанотехнологии. 2006; 6: 633–639. [PubMed] [Google Scholar]76. Джордж Дж., Кумар Р., Садживкумар В.А., Рамана К.В., Раджаманикам Р. и соавт. Гибридные нанокомпозиты ГПМЦ, содержащие нанокристаллы бактериальной целлюлозы и наночастицы серебра. Карбогидрополимер. 2014; 105: 285–292. [PubMed] [Google Scholar]77.Ван И, Цао С, Чжан Л. Влияние целлюлозных усов на свойства термопластов из соевого белка. Макромол Биоски. 2006; 6: 524–531. [PubMed] [Google Scholar]78. Джордж Дж., Садживкумар В.А., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Сиддарамаях Улучшенные свойства гибридных нанокомпозитов ПВС, содержащих нанокристаллы целлюлозы и наночастицы серебра. J Mater Chem. 2012;22:22433–22439. [Google Академия] 79. Chazeau L, Cavaille JY, Canova G, Dendievel R, Boutherin B. Вязкоупругие свойства пластифицированного ПВХ, армированного целлюлозными вискерами.J Appl Polym Sci. 1999; 71: 1797–1808. [Google Академия]80. Гоффен А.Л., Ракес Дж.М., Дюкен Э., Сикейра Г., Хабиби Ю. и др. Нанокомпозиты на основе поли (ε-капролактона), армированные поверхностно-привитыми целлюлозными нановискерами посредством экструзионной обработки: морфология, реология и термомеханические свойства. Полимер. 2011;52:1532–1538. [Google Академия]81. Юнгберг Н., Бонини С., Бортолусси Ф., Буассон С., Хью Л., Кавайль Ю.Ю. Новые нанокомпозитные материалы, армированные вискерами целлюлозы в атактическом полипропилене: влияние поверхностных и дисперсионных характеристик.Биомакромоль. 2005; 6: 2732–2739. [PubMed] [Google Scholar]82. Цао X, Донг Х, Ли СМ. Новые нанокомпозитные материалы, армированные нанокристаллами льняной целлюлозы в водном полиуретане. Биомакромоль. 2007; 8: 899–904. [PubMed] [Google Scholar]83. Hubbe MA, Rojas OJ, Lucia LA, Sain M. Целлюлозные нанокомпозиты: обзор. Биоресурсы. 2008; 3: 929–980. [Google Академия]84. Habibi Y, Goffin AL, Schiltz N, Duquesne E, Dubois P, Dufresne A. Бионанокомпозиты на основе поли (ε-капролактона) привитых нанокристаллов целлюлозы путем полимеризации с раскрытием кольца.J Mater Chem. 2008;18:5002–5010. [Google Академия]85. Азизи Самир МАС, Аллоин Ф., Дюфрен А. Обзор недавних исследований целлюлозных усов, их свойств и их применения в области нанокомпозитов. Биомакромоль. 2005; 6: 612–626. [PubMed] [Google Scholar]86. Сваган А.Дж., Самир МАСА, Берглунд Л.А. Биомиметические пены с высокими механическими характеристиками на основе наноструктурированных клеточных стенок, армированных нанофибриллами нативной целлюлозы. Adv Mater. 2008;20:1263–1269. [Google Академия]87. Хенрикссон М., Берглунд Л.А., Исакссон П., Линдстром Т., Нишино Т.Целлюлозные нанобумажные структуры высокой прочности. Биомакромоль. 2008; 9: 1579–1585. [PubMed] [Google Scholar]88. Ноги М., Яно Х. Прозрачные нанокомпозиты на основе целлюлозы, вырабатываемой бактериями, предлагают потенциальные инновации в индустрии электронных устройств. Adv Mater. 2008; 20:1849–1852. [Google Академия]89. Bayer IS, Fragouli D, Attanasio A, Sorce B, Bertoni G, et al. Водоотталкивающие сетки из целлюлозного волокна с многофункциональными свойствами. Интерфейсы приложений ACS. 2011;3:4024–4031. [PubMed] [Google Scholar]90.Донг С., Роман М. Нанокристаллы целлюлозы с флуоресцентной маркировкой для биовизуализации. J Am Chem Soc. 2007; 129:13810–13811. [PubMed] [Google Scholar]91. Махмуд К.А., Мена Дж.А., Мале К.Б., Храпович С., Камен А., Луонг Дж.Х. Влияние поверхностного заряда на клеточное поглощение и цитотоксичность флуоресцентно меченных нанокристаллов целлюлозы. Интерфейсы приложений ACS. 2010;2:2924–2932. [PubMed] [Google Scholar]92. Хоегер И., Рохас О.Дж., Ефименко К., Велев О.Д., Келли С.С. Ультратонкие пленочные покрытия из ориентированных нанокристаллов целлюлозы из системы конвективно-сдвиговой сборки и механические свойства их поверхности.Мягкая материя. 2011;7:1957–1967. [Google Академия]93. Ян Х., Техадо А., Алам Н., Антал М., ван де Вен Т.Г. Пленки изготовлены из электростерически стабилизированной нанокристаллической целлюлозы. Ленгмюр. 2012; 28:7834–7842. [PubMed] [Google Scholar]94. Ван В.К., Хаттер Дж.Л., Миллон Л., Гухадос Г. Серия симпозиумов ACS. Том. 938. Издательство Оксфордского университета; 2006. Бактериальная целлюлоза и ее нанокомпозиты для биомедицинских применений; стр. 221–241. [Google Академия]95. Lange J, Wyser Y. Обзор последних инноваций в барьерных технологиях для пластиковой упаковки.PackagTechnol Sci. 2003; 16: 149–158. [Google Академия]96. Параликар С.А., Симонсен Дж., Ломбарди Дж. Барьерные мембраны из нанокристаллов поливинилового спирта/целлюлозы. J Мембранные науки. 2008; 320: 248–258. [Google Scholar]

Целлюлоза | Энциклопедия

1. Введение

Синтетические полимеры на основе нефти являются неразлагаемыми материалами и загрязняют природу [1] . Поэтому, чтобы свести к минимуму влияние этих полимеров, вводят целлюлозу. Целлюлоза обладает превосходными свойствами для минимизации этого повреждения за счет использования в качестве наполнителя при производстве либо синтетической матрицы, либо матрицы из натурального крахмала.Целлюлоза является основным веществом клеточных стенок растений, помогая растениям оставаться жесткими и вертикальными, поэтому ее можно извлекать из растительных источников, сельскохозяйственных отходов, животных и бактериальной пленки [2] [3] . Он состоит из полимерных цепей, состоящих из неразветвленных β (1,4) связанных D-глюкопиранозильных звеньев (ангидроглюкозное звено, AGU) [4] [5] . Целлюлоза также обладает превосходными механическими свойствами, такими как прочность на растяжение и изгиб, модули растяжения и изгиба и термическое сопротивление, а также низкая стоимость из-за ее доступности из различных ресурсов и изобилия в природе, а также способность к разложению, которая недоступна в синтетических наполнителях. , что делает его отличным бионаполнителем как для синтетических, так и для натуральных полимерных матриц [6] .Целлюлоза должна быть извлечена, чтобы быть полезным веществом. Экстракция целлюлозы может быть достигнута с помощью трех подходов; механические, химические и бактериальные методы. Механическая экстракция целлюлозы включает гомогенизацию под высоким давлением [7] , измельчение [8] , дробление [9] и методы парового взрыва [10] . Методы химической экстракции включают обработку щелочью [11] , кислотное вымачивание, химическое вымачивание [12] и рафинирование [13] .

Целлюлоза может быть экстрагирована в различных размерах, в зависимости от предполагаемого применения. Микро- и наноцеллюлоза являются распространенными размерами целлюлозы, используемой в промышленности. Наноцеллюлоза делится на три типа: (1) нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ), также известная как нанофибриллы или микрофибриллы, или макрофибриллированная целлюлоза, или нанофибриллированная целлюлоза; (2) нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ), также известная как кристаллиты, вискеры или палочковидные микрокристаллы целлюлозы, и (3) бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ), также известная как микробная целлюлоза или биоцеллюлоза [14] [15] .Разница между микрофибриллированной целлюлозой и нанокристаллической целлюлозой заключается в распределении размеров волокон, которое является широким в микрофибриллированной целлюлозе и узким или значительно короче в нанокристаллической целлюлозе [16] . изображает структурную разницу между нанофибриллированной целлюлозой и нанокристаллической целлюлозой. Подобно микрофибриллированной целлюлозе, бактериальная целлюлоза также имеет узкое распределение по размерам и высокую кристалличность, за исключением ее источника, которым являются бактерии. Согласно Alain Dufresne [17] и Chirayil et al. [18] , NCC и NFC известны не только своей способностью к биологическому разложению, превосходными свойствами, уникальной структурой, низкой плотностью, отличными механическими характеристиками, большой площадью поверхности и соотношением сторон, биосовместимостью и природным изобилием, но и возможностью модификации. их поверхности для повышения совместимости их наноармирования с другими полимерами из-за наличия обильных гидроксильных групп. Материалы на основе наноцеллюлозы, также известные как новый нестареющий бионаноматериал, нетоксичны, пригодны для повторного использования, экологичны и углеродно-нейтральны [17] .NCC и NFC продемонстрировали множество передовых приложений, в том числе в автомобильной промышленности, оптически прозрачных материалах, поставках лекарств, пленочных покрытиях, тканевых технологиях, биомиметических материалах, аэрогелях, датчиках, трехмерной (3D) печати, реологических модификаторах, сборщиках энергии, фильтрации. , текстиль, печатная и гибкая электроника, композиты, бумага и картон, упаковка, нефть и газ, медицина и здравоохранение, строительные леса [19] [20] . Кроме того, гранулы макро- и мезопористой наноцеллюлозы также используются в устройствах накопления энергии.Бусины целлюлозы действуют как электроды, которые служат дополнением к обычным суперконденсаторам и батареям [21] и зависят от свойств целлюлозы (например, происхождения, пористости, распределения пор, распределения пор по размерам и кристалличности) [22 ] . Как следствие, количество патентов и публикаций по наноцеллюлозе за 20 лет значительно увеличилось с 764 в 2000 г. до 18 418 в 2020 г. Кроме того, этот прирост более чем на 2300% за 20 лет указывает на то, что наноцеллюлоза стала передовым новым материалом в 21-го века.

Рисунок 1. Изображения атомно-силовой микроскопии показывают различную структуру нанокристаллической целлюлозы (NCC) [23] и нанофибриллированной целлюлозы (NFC) [24] . (Воспроизведено с разрешения авторских прав Ильяса и др. [23] [24] ).

Применения целлюлозы обширны и пересекаются со многими областями, сосредоточенными на механических, медицинских и промышленных применениях [25] . В промышленности целлюлоза используется в качестве наполнителя матриц при производстве разлагаемого полимера.Целлюлоза также используется в упаковке, тканевой инженерии, электронике, оптике, сенсорах, фармацевтике, косметике, изоляции, фильтрации воды, гигиенических применениях, а также в сосудистых трансплантатах. 28] . Например, в литий-ионных аккумуляторах целлюлоза применялась вместе с углеродными нанотрубками (УНТ) в качестве токосъемников [29] . Ранее в качестве токосъемника в аккумуляторе использовалась обычная алюминиевая фольга.С этой точки зрения, электроды на основе целлюлозной бумаги и УНТ продемонстрировали улучшение удельной емкости примерно на 17% по сравнению с коммерческими электродами на основе алюминия. Другим известным применением целлюлозы является использование электропряденых нановолокон из ацетата целлюлозы для антимикробной активности, как указано Kalwar и Shen [30] . Более того, целлюлоза очень эффективна для доставки противоопухолевых препаратов 90–165 [31] 90–166 . В этом случае применение системы доставки лекарств из оксида графена с привитым карбоксиметилцеллюлозой имеет огромный потенциал в терапии рака толстой кишки.Целлюлоза также может применяться в нефтегазовой промышленности благодаря ее большой площади поверхности и высокой объемной концентрации, а также уникальным механическим, химическим, термическим и магнитным свойствам 90–165 [32] 90–166 . Целлюлоза также может использоваться в качестве добавки и армирующего материала для траверсы опор ЛЭП с целью улучшения их механических свойств и характеристик электрического сопротивления [33] [34] . Чтобы расширить базу потенциальных приложений, свойства целлюлозы должны быть более гибкими с точки зрения модификации и улучшения, чтобы соответствовать требуемым свойствам различных приложений [35] .

2. Классификация целлюлозы

Целлюлозу можно разделить на два типа в зависимости от размера, микроцеллюлозу и наноцеллюлозу, а наноцеллюлозу можно разделить на три типа: (1) нано- или микрофибриллированная целлюлоза (NFC)/(MFC), (2) нанокристаллическая целлюлоза (NCC), и (3) бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ) [36] [37] . Преимущество экстракции или выделения целлюлозы заключается в том, что наноцеллюлозу можно получить из микроцеллюлозы [6] [38] , производя целлюлозу разного размера с помощью совместимой процедуры.

Наноцеллюлозу можно отнести к семейству нанофибриллированной целлюлозы (NFC), нанокристаллической целлюлозы (NCC) и бактериальной наноцеллюлозе (BNC). Размер наноцеллюлозы колеблется от 5 нм до 100 нм [39] . Разница между нанофибриллированной целлюлозой (НФЦ) и микрофибриллированной целлюлозой (МФЦ) заключается в том, что НФЦ обычно получают с использованием предварительной химической обработки с последующей гомогенизацией под высоким давлением, тогда как МФЦ обычно получают в результате химической обработки [40] .Источниками NFC или MFC являются древесина, сахарная свекла, клубни картофеля, конопля и лен. Средний диаметр 20–50 нм [41] [42] . Между тем, для нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) средний диапазон диаметра и длины НЦК составляет 5–70 нм и 100 нм соответственно [43] . NCC можно извлечь из нескольких источников, таких как растения (древесина, хлопок, конопля, лен, пшеничная солома, кора тутового дерева, рами, авицел и туницин), водоросли и бактерии, а также животные (оболочечные) [44] .Другой тип наноцеллюлозы, которую можно получить из нерастительных источников, — это бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ). Использование микроорганизмов в производстве биополимеров имеет жизненно важное значение, поскольку такие микроорганизмы демонстрируют быстрый рост, что обеспечивает высокие урожаи и круглогодичную доступность продукта [45] . Существует два основных метода получения БНЦ с использованием микроорганизмов: статическая культура и культура с перемешиванием [46] . Статическая культура использует накопление толстой, похожей на кожу белой пленки BNC на границе раздела воздух-жидкость.Перемешиваемая культура синтезирует целлюлозу диспергированным образом в культуральной среде, образуя гранулы неправильной формы или взвешенные волокна [47] .

Бактериальную целлюлозу лучше производить с помощью статической культуры, поскольку предыдущие исследования показали, что бактериальная целлюлоза, полученная из статической культуры, имеет более высокую механическую прочность и выход, чем целлюлоза, полученная из перемешиваемой культуры. Более того, в перемешиваемой культуре выше вероятность мутаций микроорганизмов, которые могут повлиять на продукцию БНЦ.Недостатком статической культуры является то, что требуется больше времени и большая площадь возделывания [48] [49] [50] [51] .

3. Экстракция, обработка и модификация микроцеллюлозы и наноцеллюлозы

В последнее время биополимеры из натуральных волокон широко используются в качестве альтернативы синтетическим полимерам, что негативно влияет на окружающую среду [52] . Зеленые композиты могут использоваться во многих областях, таких как автомобили, упаковка, строительство, строительные материалы, мебельная промышленность и т. д. [53] [54] [55] [56] [57] [58] . Целлюлоза является основным компонентом некоторых натуральных волокон, таких как жмых сахарного тростника, хлопок, когон, лен, конопля, джут и сизаль. 63] [64] , а также его можно найти у морских животных, бактерий и грибов. Целлюлозу можно экстрагировать в микромасштабе с избыточным количеством минеральных кислот, кристаллические фазы в нанометровом диапазоне [65] , с размерами 10-200 мкм [66] и средним диаметром приблизительно 44.28 мкм [67] . Структуру микроцеллюлозы можно разделить на микрофибриллированную целлюлозу или микрокристаллическую целлюлозу; микрокристаллическая целлюлоза имеет более высокую прочность, чем микрофибриллированная целлюлоза [4] . Целлюлоза также может быть извлечена в виде наноцеллюлозы размером с наноцеллюлозное волокно, которое обычно содержит менее 100 нм в диаметре и несколько микрометров в длину [68] . Растительное натуральное волокно состоит из целлюлозы и нецеллюлозных материалов, таких как лигнин, гемицеллюлоза, пектин, воск и другие экстрактивные вещества.Следовательно, чтобы извлечь целлюлозу в виде микро- или наночастиц, необходимо удалить нецеллюлозные материалы. Исследователи использовали два распространенных метода удаления нецеллюлозных материалов: (I) обработка кислотным хлоритом и (II) обработка щелочью [69] [70] . В зависимости от условий процесса экстракции и метода экстракции кристаллическая область целлюлозы может значительно различаться по размеру и соотношению сторон. Это обычно приводит к типам фибрилл, кристаллическим и размерам частиц (микро- или наноразмер).Однако обычно они анизометричны.

3.1. Методы экстракции целлюлозы

Существует несколько типов технологий производства целлюлозы, таких как механическая обработка, химическая обработка, сочетание химико-механического процесса, а также бактериальное производство целлюлозы.

3.1.1. Механическая добыча

Гомогенизация под высоким давлением является одним из методов механической экстракции. Гомогенизация под высоким давлением используется для крупномасштабного производства наноцеллюлозы путем проталкивания материала через очень узкий канал или отверстие с помощью поршня под высоким давлением 50–2000 МПа [66] .Это экологически чистый метод выделения наноцеллюлозы [71] . Однако существует вероятность возникновения механического повреждения кристаллической структуры при использовании этого метода [72] . Еще один механический прием – шлифовка. Измельчение используется для отделения наноцеллюлозы от волокна путем приложения напряжения сдвига к волокну путем вращения шлифовальных камней со скоростью примерно 1500 об/мин [73] . Тепло, выделяемое трением в процессе фибрилляции, приводит к испарению воды, что улучшает процесс экстракции [74] .Кроме того, дробление также используется для извлечения целлюлозного волокна. Этот метод используется для производства микроцеллюлозы в замороженных местах [75] . Размер полученной целлюлозы колеблется от 0,1 до 1 мкм. Этот процесс можно использовать в качестве предварительной обработки перед гомогенизацией под высоким давлением для получения наноцеллюлозы. Для извлечения целлюлозы используется паровой взрыв, который использует метод с низким потреблением энергии для извлечения целлюлозы. Хотя он не полностью удаляет лигнин, его можно считать предварительной обработкой.После применения этого метода полученное волокно нуждается в механической модификации.

3.1.2. Химическая экстракция

Процедуры химической экстракции извлекают целлюлозу, используя щелочную выдержку, кислотную выдержку, химическую выдержку, натуральную химическую выдержку (CAN) или рафинирование для удаления лигнина, содержащегося в волокнах. Эти обработки также влияют на другие компоненты микроструктуры волокна, включая пектин, гемицеллюлозу и другие нецеллюлозные материалы [76] [77] [78] [79] .Одним из примеров использования метода химической экстракции является вымачивание щелочью или кислотой. Этот метод экстракции вызывает меньшее повреждение волокна [80] , а механическая экстракция менее затратна. Осуществляется нагреванием, очисткой и замачиванием волокна в растворе щелочи или кислоты [81] . Этот метод имеет возможность улучшить некоторые свойства волокна. Дегуммирование, которое является одним из процессов химической экстракции, разработанным для сохранения формы волокна рами, работает путем устранения содержания липких веществ и пектина [82] .Другой химический метод — химическое вымачивание. Эта процедура используется для снижения содержания лигнина и воды в волокнах. Химическое вымачивание позволяет удалить больше лигнина по сравнению с щелочным и кислотным вымачиванием, но оно менее эффективно с точки зрения удаления влаги 90–165 [12] 90–166 . Комбинация химических и механических методов экстракции может применяться для обеспечения более высокой эффективности удаления лигнина, когда механические процессы обычно выполняются после химической обработки [83] .показывает извлечение наноцеллюлозы из лигноцеллюлозной биомассы механическими и химическими методами.

Рисунок 2. Экстракция наноцеллюлозы из лигноцеллюлозной биомассы (воспроизведено с разрешения авторских прав Sharma et al. [84] ).

3.1.3. Бактериальное производство целлюлозы

Бактериальная целлюлоза имеет молекулярную формулу, аналогичную целлюлозе растительного происхождения, характеризующуюся кристаллической нанофибриллярной структурой, которая создает большую площадь поверхности, которая может удерживать большое количество жидкости.Существует множество методов приготовления бактериальной целлюлозы, включая статическое культивирование, культивирование при перемешивании/встряхивании и биореакторные культуры. Результаты макроскопической морфологии, микроструктуры, механических свойств бактериальной целлюлозы различны в зависимости от способа получения. Метод статического культивирования усиливает накопление студенистой мембраны целлюлозы на поверхности питательного раствора, в то время как культивирование при перемешивании/встряхивании воздействует на образования в виде звездочек, сфер, шариков или неправильной формы [36] .Требуемые свойства и области применения диктуют выбор соответствующего метода подготовки. Производство бактериальных ресурсов на основе целлюлозы дает более высокое критическое поверхностное натяжение и более высокую температуру термического разложения, в то время как целлюлоза, извлеченная из растений с помощью комбинации методов химической и механической экстракции, имеет иерархическую организацию и полукристаллическую природу.

3.2. Обработка поверхности целлюлозы и модификация

Целлюлоза является наиболее распространенным компонентом, который можно найти почти исключительно в клеточных стенках растений; его также могут производить некоторые водоросли и бактерии [85] .Применение природных биополимеров в последние годы расширилось благодаря совершенствованию процессов обработки и модификации поверхности; эти приложения включают автомобили, строительство, строительные материалы, такие как наноблоки в композитах, мебельную промышленность и оптические приложения [53] [86] . Целлюлозное волокно имеет два основных недостатка: (1) большое количество гидроксильных групп, что делает структуру продукта гелеобразной, и (2) высокая гидрофильность 90–165 [87] 90–166 , что ограничивает его применение в ряде областей применения.Целью модификации является устранение этих двух недостатков для улучшения свойств целлюлозы и расширения областей применения натурального волокна [88] .

Для снижения энергопотребления при производстве целлюлозы и эффективного извлечения целлюлозы необходимо проводить предварительную обработку. Предварительная обработка может быть либо ферментативной предварительной обработкой, либо предварительной обработкой TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил). Ферментативную предварительную обработку можно разделить на целлобиогидролазы и эндоглюканазы [89] [90] , которые проявляют сильный синергетический эффект [91] .Опосредованная ТЕМПО предварительная обработка окислением представляет собой обработку, которую необходимо проводить в растворе. Опосредованная ТЕМПО предварительная обработка окислением улучшает реакционную способность целлюлозы, а первичные гидроксильные группы C6 целлюлозы превращаются в карбоксилатные группы через альдегидные группы C6 [92] [93] . Основные модификации целлюлозы представлены в следующих подразделах.

3.2.1. Молекулярно-химическая прививка

Механизм реакции в этом методе заключается в улучшении структуры и свойств целлюлозы и происходит только на цепочках целлюлозы, расположенных на поверхности целлюлозы.Ограничение степени ацетилирования (эфирные связи образуются между целлюлозой и циклодекстринами) заключается в восприимчивости и простоте ухода за поверхностью; однако этот метод не обеспечивает полного растворения целлюлозы из-за образования сложной сети [94] .

3.2.2. Поверхностная адсорбция на целлюлозе

Адсорбция на поверхности целлюлозы обычно осуществляется с помощью поверхностно-активных веществ. Существует много типов поверхностно-активных веществ, таких как фторсодержащие поверхностно-активные вещества, т.е.например, перфтороктадекановая кислота, используемая для покрытия целлюлозы [95] , катионное поверхностно-активное вещество [96] [97] и раствор полиэлектролита [9] [98] . Поверхностно-активные вещества улучшают гидрофобные свойства; однако они могут также изменить физические свойства и привести к некоторым трещинам, которые могут привести к поглощению воды и влаги.

3.2.3. Прямые методы химической модификации

Свойства целлюлозы, такие как ее гидрофильный или гидрофобный характер, эластичность, водопоглощающая способность, способность к адсорбции или ионному обмену, устойчивость к микробиологическому воздействию и термостойкость, обычно модифицируются химической обработкой.Основными методами химической модификации целлюлозы являются этерификация, этерификация, галогенирование, окисление и обработка щелочью [99] . Методы химической модификации целлюлозы являются лучшими методами для достижения адекватной структурной прочности и эффективной адсорбционной способности.

3.2.4. Прививка целлюлозы

Прививка к целлюлозе путем ковалентного присоединения или добавления частиц молекул к целлюлозе может быть осуществлена ​​либо с помощью связующих агентов, либо путем активации целлюлозных субстратов [88] .Прививка виниловых мономеров на целлюлозу может осуществляться в гомогенной или гетерогенной среде [100] . Когда полигидроксибутират (ПГБ) привит к целлюлозе, он улучшает свойства целлюлозы с точки зрения кристалличности, гибкости и химического связывания волокон с матрицей [101] . иллюстрирует общий механизм инициированной пероксидным радикалом прививки ПОБ к целлюлозе. Полиэтиленгликоль (ПЭГ) и аминосилан также используются в качестве прививочных материалов [102] [103] , где эти материалы повышают полярность целлюлозы для лучшей совместимости с полимером.

Рисунок 3. Общий механизм прививки полигидроксибутирата (ПГБ) к целлюлозе, инициированной пероксидным радикалом (воспроизведен с разрешения авторских прав Wei et al. [101] ).

Эта запись адаптирована из 10.3390/polym13020231.

Что такое целлюлоза? Определение, виды, использование в пищевых продуктах

Определение и структура целлюлозы

Целлюлоза — это в значительной степени неперевариваемый полисахарид (сложный углевод), состоящий из тысяч молекул глюкозы [1] .

Функция

В кишечнике человека целлюлоза действует как нерастворимая клетчатка, которая может поглощать воду и, таким образом, увеличивать объем стула. Целлюлоза не переваривается, но может частично расщепляться (ферментироваться) полезными бактериями толстого кишечника на газы и жирные кислоты с короткой цепью, которые могут поглощаться [3] . Целлюлоза , а не является важным питательным веществом, что означает, что вам не нужно потреблять ее, чтобы быть здоровым.

Продукты с высоким содержанием целлюлозы

Целлюлоза естественным образом присутствует только в продуктах растительного происхождения [2] :

  • Зерновые: цельнозерновая пшеница, ячмень, овес, отруби, булгур, лебеда, кукурузная мука, коричневый рис
  • Семейство капустных овощей, например, руккола, китайская капуста, брюссельская капуста, белокочанная капуста, цветная капуста, листовая капуста, листовая капуста, кольраби, зелень горчицы, редис, брюква, мангольд, репа, зелень репы и кресс-салат
  • Фрукты: авокадо, ягоды, яблоки и груши с кожурой
  • Бобовые: горох, нут, фасоль, чечевица
  • Гайки
  • Картофель в кожуре
  • Семена: тыквы, подсолнечника и чиа с шелухой

Модифицированная целлюлоза в качестве пищевой добавки, связующего для таблеток или слабительного

Целлюлоза, извлеченная из древесной массы или хлопка и химически обработанная кислотами или щелочами, может быть добавлена ​​в качестве кремообразователя или загустителя в тертый сыр (пармезан), мороженое, фаст-фуд (гамбургеры), порошкообразные смеси для напитков и другие коммерческие пищевые продукты.Некоторые виды модифицированной целлюлозы растворимы, а некоторые нерастворимы [8] . Целлюлозу также можно производить из початков или стеблей кукурузы, шелухи соевых бобов, стеблей сахарного тростника, овсяной шелухи, рисовой шелухи, пшеничной соломы, жома сахарной свеклы, бамбука, джута, льна и рами.

Модифицированная целлюлоза также используется в качестве наполнителя в таблетках и в качестве слабительного.

Диаграмма 1. Условные обозначения: *Бактериальная целлюлоза вырабатывается бактериями. **Бактерии и хлопок могут быть генетически модифицированными организмами (ГМО).Целлюлоза с номерами E (E466 и т. д.) одобрена в ЕС. GRAS = в целом признан безопасным Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA).

Полезна ли целлюлоза?

Запор.  В различных исследованиях целлюлоза, естественным образом присутствующая в пищевых продуктах, не оказывала значительного влияния на функции кишечника, но добавки с целлюлозой (далее не уточняется) увеличивали объем стула и оказывали слабительный эффект [3,9,10,24] .

Потеря веса.  В одном исследовании целлюлозные добавки CM3 не замедляли опорожнение желудка и не увеличивали чувство сытости у людей с ожирением [11] .

Глюкоза и холестерин в крови. Целлюлоза, естественным образом присутствующая в пищевых продуктах, которая представляет собой нерастворимую клетчатку, вряд ли снижает уровень липидов и глюкозы в крови [3,8] . Добавки, содержащие модифицированную глюкозу, которая представляет собой вязкую растворимую клетчатку, при употреблении во время еды, могут снижать скачки уровня глюкозы в крови после еды; он также может снижать общий уровень холестерина в крови и уровень холестерина ЛПНП при регулярном приеме в течение нескольких недель 90–165 [8] 90–166 , но необходимы дополнительные исследования.

Побочные эффекты и опасности целлюлозы

Целлюлоза из пищевых продуктов, вероятно, не вызывает значительных побочных эффектов. Целлюлоза из пищевых добавок может вызывать легкое вздутие живота, чрезмерное газообразование и жидкий стул [26] . У людей с синдромом раздраженного кишечника (СРК) продукты с высоким содержанием целлюлозы и добавки целлюлозы могут ухудшить симптомы 90–165 [21] 90–166 . Модифицированная целлюлоза может вызывать аллергические реакции у чувствительных людей.

Взаимодействие целлюлозы и питательных веществ

Модифицированная, очищенная целлюлоза из пищевых добавок в больших дозах (> 10 г/день), но вряд ли целлюлоза из пищевых продуктов, может снижать всасывание кальция и железа [3] .

Часто задаваемые вопросы

1. Почему люди могут переваривать крахмал, но не целлюлозу?

У людей есть кишечные ферменты, которые позволяют переваривать крахмал, но нет ферментов, которые переваривают целлюлозу. Однако нормальные кишечные бактерии могут расщеплять (ферментировать) некоторое количество целлюлозы.

2. Крахмал против целлюлозы

КРАХМАЛ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Изготовлен из Глюкоза Глюкоза
Удобоваримый Да
Калорий/г 4 <1
Источники Зерновые, картофель Зерновые отруби, фрукты в кожуре, зеленые овощи, горох

3.Является ли целлюлоза пребиотиком?

По данным Journal of Nutrition, целлюлоза в настоящее время не считается пребиотиком [13] .

4. Являются ли целлюлозные добавки безглютеновыми?

Целлюлоза в основном производится из древесной массы и хлопка, поэтому добавки с целлюлозой не должны содержать глютен, но проверьте информационные листки о продукте.

5. Является ли целлюлоза веганской?

Все виды целлюлозы, кроме бактериальной целлюлозы, являются веганскими.

Аналогичные питательные вещества

использованная литература
  1. Belitz HD et al, 2009, Пищевая химия
  2. Coulate, TP, 2009,  Пищевые продукты, химия их компонентов
  3. Каммингс, Дж. Х., 1984 г., Целлюлоза и кишечник человека. Кишечник
  4. .
  5. Список веществ GRAS U.S. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA)
  6. Карбоксиметилцеллюлоза Лондонский университет Южного берега
  7. Ацетат целлюлозы  Drugs.com
  8. Карбоксиметилцеллюлоза натрия  Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  9. Lattimer, JM et al, 2010, Влияние пищевых волокон и их компонентов на метаболическое здоровье, PubMed Central
  10. Пищевая, функциональная и общая клетчатка  Министерство сельского хозяйства США
  11. Liu, BH et al, 2009, Эффективность целлюлозы при функциональных запорах  PubMed
  12. Berthold, HK et al, 2012, Влияние целлюлозосодержащей добавки для похудения на опорожнение желудка и сенсорные функции. Онлайн-библиотека Wiley
  13. Мнение Комитета по веществам GRAS (SCOGS): карбоксиметилцеллюлоза U.С. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов
  14. Roberfroid, M., 2007, Пребиотики: новый взгляд на концепцию  Журнал питания
  15. Микрокристаллическая целлюлоза Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  16. Этилгидроксиэтилцеллюлоза Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  17. Метилцеллюлоза Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  18. Карбоксиметилцеллюлоза натрия, ферментативно гидролизованная Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  19. Этилцеллюлоза Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  20. Целлюлоза в порошке  Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  21. Метилэтилцеллюлоза Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций
  22. Bijkerk, CJ et al, 2004, Систематический обзор: роль различных типов клетчатки в лечении синдрома раздраженного кишечника Онлайн-библиотека Wiley
  23. Текущие добавки, одобренные ЕС, и их номера E Агентство по пищевым стандартам
  24. Кешк, С.М., 2014, Производство бактериальной целлюлозы и ее промышленное применение OMICS Online
  25. Hamilton, JW et al, 1988, Клиническая оценка метилцеллюлозы в качестве объемного слабительного  PubMed
  26. Chawla, PR et al, 2008, Микробная целлюлоза: ферментативное производство и применение Hrcak
  27. Бианч, М.и др., 2002 г., Влияние гуаровой камеди, испагулы и микрокристаллической целлюлозы на абдоминальные симптомы, опорожнение желудка, время ороцекального транзита и образование газов у ​​здоровых добровольцев  PubMed

Целлюлоза

Существование целлюлозы как обычного материала клеточных стенок растений было впервые признано Ансельмом Пайеном в 1838 году. Она присутствует почти в чистом виде в хлопковом волокне и в сочетании с другими материалами, такими как лигнин и гемицеллюлозы, в древесине , листья и стебли растений и т. д.Хотя обычно целлюлоза считается растительным материалом, она также производится некоторыми бактериями.

В течение многих лет считалось, что целлюлоза представляет собой длинноцепочечный полимер, состоящий из повторяющихся звеньев глюкозы, простого сахара. В начале 1900-х годов Кросс и Беван дополнительно охарактеризовали целлюлозу. Они удалили родственные растительные материалы, которые встречаются в сочетании с целлюлозой, растворив их в концентрированном растворе гидроксида натрия. Нерастворившийся остаток они обозначили как α-целлюлозу.Позже было показано, что растворимые материалы (обозначенные как β-целлюлоза и γ-целлюлоза) представляют собой не целлюлозы, а скорее относительно простые сахара и другие углеводы. Под α-целлюлозой Кросса и Бевана обычно подразумевают термин «целлюлоза».

Химия целлюлозы как углевода — это прежде всего химия спиртов; и он образует многие из распространенных производных спиртов, таких как сложные эфиры, простые эфиры и т. Д. Эти производные составляют основу многих промышленных технологий целлюлозы, используемых сегодня.Производные целлюлозы используются в коммерческих целях двумя способами: в качестве временных промежуточных продуктов или в качестве постоянных продуктов.

Из-за прочных водородных связей между цепями целлюлозы целлюлоза не плавится и не растворяется в обычных растворителях. Таким образом, трудно преобразовать короткие волокна из древесной массы в непрерывные нити, необходимые для искусственного шелка, что является одной из первых целей химии целлюлозы. Несколько различных производных целлюлозы были исследованы в качестве первых способов получения искусственного шелка (см. История искусственных волокон), но только два из них, ацетатный и ксантогенатный эфиры, имеют сегодня коммерческое значение для волокон.

Ацетат целлюлозы растворим в органических растворителях, таких как ацетон, и может быть спряден в волокно или придан другой форме. Эфиры ксантогената образуются, когда целлюлозу сначала обрабатывают сильной щелочью, а затем подвергают воздействию сероуглерода. Ксантогенат целлюлозы растворим в водной щелочи; и полученный раствор можно экструдировать в виде нитей или пленок. Это основа процесса производства вискозы для производства вискозы.

Недавно была разработана технология изготовления текстильных волокон (лиоцелл) непосредственно из древесной массы без использования производных для облегчения растворения.Эта технология основана на способности оксидов аминов, особенно N-оксида N-метилморфолина, растворять незамещенную целлюлозу.


 

Химия целлюлозы
Хотя прошло много десятилетий после идентификации целлюлозы Пайеном, было показано, что целлюлоза представляет собой длинноцепочечный полимер с повторяющимися звеньями D-глюкозы, простого сахара. В цепи целлюлозы единицы глюкозы находятся в 6-членных кольцах, называемых пиранозами. Они соединены одиночными атомами кислорода (ацетальными связями) между С-1 одного пиранозного кольца и С-4 следующего кольца.Поскольку молекула воды теряется, когда спирт и полуацеталь реагируют с образованием ацеталя, единицы глюкозы в полимере целлюлозы называются единицами ангидроглюкозы.

Пространственное расположение, или стереохимия, этих ацетальных связей очень важно. В пиранозных кольцах молекулы целлюлозы все группы крупнее водорода торчат с периферии колец (экваториальные положения). Стереохимия атомов углерода 2, 3, 4 и 5 молекулы глюкозы фиксирована; но когда глюкоза образует пиранозное кольцо, гидроксил в положении С-4 может приближаться к карбонилу в положении С-1 с любой стороны, что приводит к двум различным стереохимиям в положении С-1.Когда гидроксильная группа при С-1 находится на той же стороне кольца, что и углерод С-6, говорят, что она находится в α-конфигурации (не путать с α-целлюлозой, которая не родственна). В целлюлозе кислород C-1 находится в противоположной или β-конфигурации (, т.е. , целлюлоза представляет собой поли[β-1,4-D-ангидроглюкопиранозу]). Эта β-конфигурация со всеми функциональными группами в экваториальных положениях заставляет молекулярную цепь целлюлозы вытягиваться более или менее прямолинейно, что делает ее хорошим волокнообразующим полимером.Амилоза, составляющая крахмала, является родственным полимером глюкозы, но с атомами кислорода C-1 в α-конфигурации. Эта конфигурация вынуждает связь со следующим кольцом глюкопиранозы занимать аксиальное положение, и молекулы крахмала имеют тенденцию скручиваться, а не расширяться. Несмотря на то, что амилоза часто имеет длинные молекулярные цепи, она не является хорошим волокнообразователем.

Из-за экваториального положения гидроксилов в цепи целлюлозы они выступают латерально вдоль вытянутой молекулы.Такое расположение делает их легко доступными для водородных связей. Эти водородные связи заставляют цепи группироваться в высокоупорядоченные (кристаллоподобные) структуры. Поскольку цепи обычно длиннее кристаллических областей, считается, что они проходят через несколько различных кристаллических областей с областями беспорядка между ними (модель «бахромчатой ​​мицеллы»). Межцепочечные водородные связи в кристаллических областях прочны, что придает полученным волокнам хорошую прочность и нерастворимость в большинстве растворителей.Они также предотвращают плавление целлюлозы (, т.е. , нетермопластичная). В менее упорядоченных областях цепи расположены дальше друг от друга и более доступны для водородных связей с другими молекулами, такими как вода. Большинство структур из целлюлозы могут поглощать большое количество воды ( т.е. , она очень гигроскопична). Таким образом, целлюлоза набухает, но не растворяется в воде.

Реакции целлюлозы
Молекула целлюлозы содержит три различных вида ангидроглюкозных звеньев: восстанавливающий конец со свободной полуацетальной (или альдегидной) группой в положении С-1, невосстанавливающий конец со свободным гидроксилом в положении С-4 и внутренние кольца соединялись в точках C-1 и C-4.Но из-за большой длины цепи преобладает химия спиртовых групп внутренних звеньев, пока цепи не расщепляются условиями реакции. Однако, в отличие от простых спиртов, реакции с целлюлозой обычно в большей степени контролируются стерическими факторами, чем можно было бы ожидать, исходя из присущей реакционной способности различных гидроксильных групп. На каждом ангидроглюкозном кольце потенциально доступны три гидроксильные группы, поэтому производные обычно характеризуют с точки зрения «степени замещения» (DS), которая является средней для всей цепи и может варьироваться от 0 до 3.В большинстве случаев частичная реакция до DS < 3 дает продукты, которые по существу представляют собой блок-сополимеры, где практически все гидроксилы, встречающиеся в менее упорядоченных областях, могут быть дериватизированы, в то время как гидроксилы в кристаллических областях остаются непрореагировавшими. Более высокие степени замещения или условия реакции, которые разрушают кристаллические области, могут быть использованы для уменьшения межцепочечных водородных связей и разъединения цепей. Это может привести к получению производного целлюлозы, растворимого в обычных растворителях и, таким образом, способного к экструзии с образованием нитей или других структур.

Этерификация
Подобно простым спиртам, гидроксильные группы целлюлозы могут быть этерифицированы реакцией с кислотами или другими ацилирующими агентами. Нитрование смесью азотной и серной кислот использовалось для получения первых искусственных волокон (см. История искусственных волокон). Ацетилирование уксусной кислотой или уксусным ангидридом дает множество различных продуктов, свойства которых зависят от DS.

Этерификация
Эфиры целлюлозы могут быть получены с использованием ряда обычных алкилирующих агентов.Многие частично замещенные эфиры (обычно с DS 0,5–2,0) имеют коммерческое значение. Они варьируются от простых метиловых и этиловых эфиров до более сложных материалов, таких как карбоксиметилцеллюлозы, которые получают реакцией целлюлозы с хлоруксусной кислотой. Реакция целлюлозы с этиленоксидом или другими эпоксидами дает гидроксиэтилцеллюлозу или другие производные гидроксиалкила, которые могут обладать рядом полезных свойств в зависимости от DS и длины боковых цепей гидроксиалкила.Гидроксилы целлюлозы также могут присоединяться к активированным двойным связям, как при образовании цианоэтилцеллюлозы в результате реакции с акрилонитрилом.

Образование ацеталей
Подобно простым спиртам, гидроксилы целлюлозы реагируют с альдегидами и полуацеталями с образованием ацеталей. Реакция с формальдегидом и производными формальдегида (чаще всего с мочевиноформальдегидными смолами) имеет особое значение для придания размерной стабильности, в частности характеристик перманентной печати, целлюлозным тканям, таким как хлопок и вискоза.

Гидролиз
Хотя целлюлоза достаточно устойчива к гидролизу, чтобы ее можно было красить, отделывать и стирать, она подвержена гидролизу кислотами и, в меньшей степени, щелочами. Кислоты атакуют ацетальные связи, расщепляя 1-4-гликозидные связи. Поскольку ацетали довольно устойчивы к щелочи, гидролиз при высоком рН обычно требует более агрессивных условий, чем при низком рН. Возможен ряд различных путей реакции, катализируемых основанием, и расщепление цепи обычно происходит в результате нескольких параллельных реакций.Целлюлоза также расщепляется ферментами целлюлазы.

Окислительное разложение
Сильные окислители и/или интенсивные условия реакции превращают целлюлозу в CO 2 и H 2 O. В менее интенсивных условиях реакции целлюлоза способна к множеству реакций окисления, многие из которых предсказуемы по аналогии к простым спиртам, транс -гликолям и ацеталям. Обычно при окислении гидроксилов целлюлозы образуются ожидаемые альдегидные, кетоновые и карбоксильные группы.Однако, в отличие от своих простых карбонильных аналогов, продукты окисления целлюлозы (называемые оксицеллюлозами) значительно менее стабильны в присутствии щелочи. Расщепление цепи и/или кольца происходит путем отщепления атомов водорода кислоты α до карбонила с последующим β-алкоксиэлиминированием.

Непламенное горение (или тлеющее горение) целлюлозы происходит путем прямого окисления целлюлозы воздухом при высокой температуре с образованием воды, CO и CO 2 . Хотя трудно заставить чистую целлюлозу гореть в непламенном режиме, загрязняющие вещества, такие как соли щелочных металлов, способствуют тлеющему горению.Пламенное горение представляет собой процесс окисления в газовой фазе и, таким образом, требует предварительного пиролитического или термоокислительного разложения нелетучих цепочек целлюлозы с образованием легковоспламеняющихся летучих органических соединений.

Термическое разложение
Известно, что ряд различных реакций термического разложения происходит с целлюлозой при различных температурах. Разложение при более низких температурах (например, при старении целлюлозных материалов) часто носит преимущественно термоокислительный и/или гидролитический характер. Как и ожидалось, старение целлюлозы, таким образом, обычно зависит от влажности, света, наличия кислорода и т. д., кроме температуры. При более высоких температурах (>200°С) вода теряется, сначала из-за поглощения целлюлозой, а затем из-за β-отщепления от гидроксилов целлюлозы. При еще более высоких температурах (>250°C) начинают действовать несколько конкурирующих пиролитических реакций. Эти реакции можно разделить на три основные категории: первая группа протекает при более низких температурах и аналогична реакциям старения. Продукты: вода, CO, CO 2 и углеродистый уголь.При более высоких температурах начинается другая реакция, которая приводит к деполимеризации цепи целлюлозы и образованию производных ангидроглюкозы, летучих органических веществ и смол. При еще более высоких температурах более или менее случайное расщепление связей целлюлозы и промежуточных продуктов разложения приводит к образованию разнообразных низкомолекулярных соединений.


Durable Press Finishing
Ткани из целлюлозных волокон обладают хорошей размерной стабильностью в сухом состоянии; но может сморщиться и/или сморщиться при намокании.Это происходит потому, что в сухом состоянии цепи целлюлозы удерживаются вместе водородными связями между гидроксильными группами соседних цепей. Другими словами, водородные связи образуют сшитую структуру. Если к сухой ткани прикладывается напряжение, такое как скручивание или складывание, поперечные связи водородных связей имеют тенденцию удерживать цепи на месте и заставляют ткань возвращаться в исходное положение после снятия деформирующего напряжения. Однако, когда ткань контактирует с влагой, молекулы воды могут участвовать в водородных связях и проникать между цепочками целлюлозы, эффективно разрушая сшитую структуру.Молекулы воды действуют как пластификатор для целлюлозы, и цепи могут перемещаться относительно друг друга. Если ткань сморщивается во влажном состоянии, цепи перемещаются, чтобы снять напряжение, и нет эффективной силы, чтобы вернуть ткань в ее первоначальную форму, когда напряжение снято. Таким образом, для того чтобы целлюлозные ткани обладали характеристиками стойкого прессования (также называемого постоянным прессованием или стойкостью к складкам), необходимо образование поперечных связей, которые не могут быть легко разрушены водой.Обычно это делается с формальдегидом или производными формальдегида, такими как мочевиноформальдегидные смолы.

В большинстве используемых сегодня коммерческих средств для обработки прессов длительного пользования используются соединения N-метилола, такие как диметилолдигидроксиэтиленмочевина (ДМДГЭУ). В присутствии нагревания и катализаторов кислоты Льюиса, таких как ZnCl 2 или MgCl 2 , эти соединения N-метилола легко реагируют с гидроксильными группами соседних цепей целлюлозы, образуя желаемые поперечные связи.Эти сшивки достаточно устойчивы к стирке и позволяют ткани подвергаться машинной стирке без образования складок или потери желаемых складок и/или складок, которые образовались до сшивания. К сожалению, тепло и кислота, используемые для реакции сшивки, могут привести к ослаблению ткани и сокращению срока службы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.