Целлюлозное нановолокно: Целлюлозное нановолокно и новые экономические перспективы

Автомобиль NCV из нановолокон целлюлозы, материала нового поколения

Авто­мо­биль­ная про­мыш­лен­ность дви­жет­ся в направ­ле­нии созда­ния более эко­ло­гич­ных авто­мо­би­лей, и огром­ное коли­че­ство элек­тро­мо­би­лей явля­ет­ся дока­за­тель­ством это­го.

Про­из­во­ди­те­ли авто­мо­би­лей все­гда ищут более лёг­кие мате­ри­а­лы, так как лег­кий авто­мо­биль озна­ча­ет мень­ший рас­ход топ­ли­ва и элек­тро­энер­гии, в слу­чае элек­тро­мо­би­лей. Авто­мо­биль­ные бата­реи сто­ят доро­го, поэто­му сни­же­ние веса кузо­ва озна­ча­ет, что для пита­ния авто­мо­би­ля потре­бу­ет­ся мень­ше бата­рей, что уде­шев­ля­ет про­из­вод­ство. Япо­ния дви­га­ет­ся к тому, что­бы сде­лать авто­мо­биль лег­че, авто­мо­би­ле­стро­е­ние более эко­ло­гич­ным. В этой ста­тье мы рас­смот­рим мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы и авто­мо­биль, кото­рый был пред­став­лен япон­ца­ми, сде­лан­ный с исполь­зо­ва­ни­ем это­го мате­ри­а­ла.

Материал нового поколения на основе нановолокна целлюлозы

Один из самых мно­го­чис­лен­ных мате­ри­а­лов на нашей пла­не­те — цел­лю­ло­за. Цел­лю­ло­за извест­на как основ­ной ингре­ди­ент рас­ти­тель­ных воло­кон. CNF (cellulose nanofiber) — это при­род­ное нано­во­лок­но, кото­рое может быть выде­ле­но путём дефи­бра­ции цел­лю­ло­зы из рас­ти­тель­ной био­мас­сы. Нано­во­лок­но цел­лю­ло­зы в изоби­лии встре­ча­ет­ся в дере­вьях, но его мож­но най­ти и в раз­лич­ных рас­те­ни­ях, вклю­чая бам­бук и рис.

CNF пред­став­ля­ет собой пучок нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы. Он может обла­дать раз­лич­ны­ми меха­ни­че­ски­ми свой­ства­ми в зави­си­мо­сти от источ­ни­ка их добы­чи.

Новый мате­ри­ал полу­ча­ет­ся из рас­ти­тель­ной мас­сы, кото­рая сна­ча­ла раз­мель­ча­ет­ся, а затем очи­ща­ет­ся гомо­ге­ни­за­то­ром для уда­ле­ния нецел­лю­лоз­ных ком­по­нен­тов, таких как лиг­нин. Остав­ши­е­ся цел­лю­лоз­ные волок­на окон­ча­тель­но отде­ля­ют­ся и пере­ра­ба­ты­ва­ют­ся. В ито­ге полу­ча­ет­ся лёг­кий, неве­ро­ят­но проч­ный мате­ри­ал, обла­да­ю­щий гиб­ко­стью и пла­стич­но­стью, при­год­ный для вто­рич­ной пере­ра­бот­ки.

Нано­во­лок­на могут исполь­зо­вать­ся в раз­лич­ных изде­ли­ях, начи­ная от чер­нил и закан­чи­вая про­зрач­ны­ми дис­пле­я­ми. При­ме­ня­е­мые в самых раз­ных отрас­лях про­мыш­лен­но­сти, ком­по­нен­ты CNF мож­но най­ти в филь­тру­ю­щих мате­ри­а­лах, элек­трон­ных устрой­ствах, про­дук­тах пита­ния, меди­цине, кос­ме­ти­ке, здра­во­охра­не­нии и мно­гом дру­гом.

Использование нано-волокон целлюлозы в автомобилестроении, идея создания автомобиля NCV

Совре­мен­ные авто­мо­би­ли остав­ля­ют после себя зна­чи­тель­ные “угле­род­ные сле­ды”, начи­ная со ста­дии про­из­вод­ства и закан­чи­вая повсе­днев­ным исполь­зо­ва­ни­ем. Обес­по­ко­ен­ное выбро­са­ми и загряз­не­ни­ем окру­жа­ю­щей сре­ды, вызван­ны­ми нынеш­ни­ми авто­мо­би­ля­ми и их соот­вет­ству­ю­щи­ми про­из­вод­ствен­ны­ми про­цес­са­ми, Мини­стер­ство охра­ны окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии хоте­ло вне­сти свой вклад. Кон­сор­ци­ум, создан­ный этим Мини­стер­ством в 2016 году, в кото­рый вхо­дят иссле­до­ва­те­ли Киот­ско­го уни­вер­си­те­та (Kyoto University), а так­же дру­гих науч­но-иссле­до­ва­тель­ских инсти­ту­тов и ком­па­ний, рабо­та­ет над тем, как исполь­зо­вать один из основ­ных ресур­сов стра­ны – дре­ве­си­ну, в каче­стве мате­ри­а­ла, исполь­зу­е­мо­го при созда­нии частей кузо­ва и сало­на авто­мо­би­ля. Этот мате­ри­ал лег­ко досту­пен и обла­да­ет пре­иму­ще­ством, заклю­ча­ю­щим­ся в эко­ло­гич­но­сти его про­из­вод­ства­том.

В то вре­мя как нано­во­лок­на CNF уже исполь­зу­ют­ся в неко­то­рых про­дук­тах, его при­ме­не­ние в про­из­вод­стве авто­мо­би­лей ста­ло воз­мож­ным толь­ко бла­го­да­ря так назы­ва­е­мо­му “Киот­ско­му про­цес­су”, назван­но­му по име­ни уни­вер­си­те­та, учё­ные кото­ро­го при­ни­ма­ли уча­стие в раз­ра­бот­ке мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния. В рам­ках это­го про­цес­са, полу­чен­ные из дере­ва нано­во­лок­на сме­ши­ва­ют­ся с раз­лич­ны­ми  тер­мо­пла­сти­ка­ми: поли­эти­ле­ном (PE), поли­про­пи­ле­ном (PP), поли­ви­нил­хло­ри­дом (PVC), поли­сти­ро­лом (PS), акри­ло­нит­рил­бу­та­ди­ен­сти­ро­лом (ABS), поли­кар­бо­на­том (PC). Этот про­цесс уве­ли­чи­ва­ет меха­ни­че­скую проч­ность мате­ри­а­ла.

В каче­стве демон­стра­ции тех­но­ло­гии появи­лась идея созда­ния авто­мо­би­ля, в кото­ром при­ме­ня­ют­ся мате­ри­а­лы из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы. Авто­мо­биль назва­ли NCV — Nano Cellulose Vehicle (нано-цел­лю­лоз­ное транс­порт­ное сред­ство).

Цель созда­ния и демон­стра­ции авто­мо­би­ля NCV заклю­ча­ет­ся в том, что­бы цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на CNF ста­ли новым важ­ным про­из­вод­ствен­ным мате­ри­а­лом для авто­мо­би­лей, посколь­ку он ока­зы­ва­ет мень­шее воз­дей­ствие на окру­жа­ю­щую сре­ду, чем дру­гие мате­ри­а­лы, и в то же вре­мя обла­да­ет высо­ки­ми экс­плу­а­та­ци­он­ны­ми харак­те­ри­сти­ка­ми.

По дан­ным япон­ских иссле­до­ва­те­лей и про­из­во­ди­те­лей авто ком­по­нен­тов, участ­ву­ю­щих в про­ек­те, CNF до пяти раз проч­нее ста­ли, при этом в пять раз её лег­че. Это боль­шое дости­же­ние, учи­ты­вая, что авто­про­из­во­ди­те­ли уже сей­час гонят­ся за тем, что­бы сде­лать свои авто­мо­би­ли лег­че без ущер­ба для проч­но­сти.

Самым боль­шим пре­пят­стви­ем для внед­ре­ния этих новых мате­ри­а­лов в авто­мо­би­ли явля­ет­ся сто­и­мость их про­из­вод­ства. Цена авто­мо­биль­но­го сталь­но­го листа, как пра­ви­ло, варьи­ру­ет­ся от дол­ла­ра до несколь­ких дол­ла­ров за кило­грамм, CNF пока сто­ит до 90 дол­ла­ров за кило­грамм. Но более стро­гие эко­ло­ги­че­ские пра­ви­ла и стрем­ле­ние к сни­же­нию выбро­сов угле­кис­ло­го газа могут сде­лать про­из­вод­ство ново­го мате­ри­а­ла жиз­не­спо­соб­ным. К при­ме­ру, угле­во­лок­но сто­ит в 10–20 раз доро­же сталь­но­го листа, оно исполь­зу­ет­ся, пото­му что весит при­мер­но чет­верть от ста­ли и в 10 раз проч­нее. По срав­не­нию с угле­пла­сти­ком, обла­да­ю­щим ана­ло­гич­ны­ми харак­те­ри­сти­ка­ми, CNF име­ет пре­иму­ще­ство в том, что его мож­но пере­ра­ба­ты­вать, так как цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на настоль­ко малы, что они не раз­ру­ша­ют­ся меха­ни­че­ски в про­цес­се пере­ра­бот­ки.

CNF может исполь­зо­вать­ся при про­из­вод­стве неко­то­рых дета­лей кузо­ва и инте­рье­ра, сни­жая вес дета­лей до 50% и умень­шая общий вес авто­мо­би­ля более чем на 10%. Более лег­кий авто­мо­биль будет иметь более быст­рое уско­ре­ние и более высо­кие ско­ро­сти.

Коман­да созда­те­лей авто­мо­би­ля NCV про­во­дит повтор­ные испы­та­ния дета­лей авто­мо­би­ля, кото­рые они изго­то­ви­ли, что­бы убе­дить­ся в их изно­со­стой­ко­сти, проч­но­сти и соот­вет­ствия спе­ци­фи­ка­ци­ям мате­ри­а­лов для авто­мо­биль­ных дета­лей. Пока резуль­та­ты полу­ча­ют­ся мно­го­обе­ща­ю­щи­ми. CNF срав­ним по проч­но­сти и лёг­ко­сти с угле­во­лок­ном.

Несмот­ря на все пре­иму­ще­ства мате­ри­а­ла из CNF, авто­мо­биль­ные экс­пер­ты счи­та­ют, что более тра­ди­ци­он­ные облег­чён­ные мате­ри­а­лы, такие как алю­ми­ний и угле­пла­стик, оста­нут­ся наи­бо­лее попу­ляр­ны­ми аль­тер­на­ти­ва­ми ста­ли в тече­ние бли­жай­ше­го вре­ме­ни. Мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из CNF, пока не явля­ет­ся ком­мер­че­ски жиз­не­спо­соб­ным. Тре­бу­ет­ся най­ти воз­мож­ность мак­си­маль­но сни­зить сто­и­мость его про­из­вод­ства.

Автомобиль NCV

Авто­мо­биль NCV не про­то­тип и тем более не супер­кар. Это кон­цепт, создан­ный для демон­стра­ции тех­но­ло­гии изго­тов­ле­ния дета­лей авто­мо­би­ля из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния на осно­ве нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон CNF (cellulose nanofiber), полу­чен­ных из дре­вес­ной мас­сы. CNF исполь­зу­ет­ся в кузо­ве авто­мо­би­ля (кры­ша, капот, крыш­ка багаж­ни­ка, две­ри), но и в его сило­вой кон­струк­ции.

Про­ект NCV дебю­ти­ро­вал на Токий­ском авто­са­лоне (TMS) Future Expo в 2019 году. На выстав­ке одной из тен­ден­ций было ста­вить под сомне­ние тра­ди­ци­он­ный спо­соб про­из­вод­ства, предо­став­ляя воз­мож­но­сти, кото­рые могут пред­ло­жить новые тех­но­ло­гии. Лого­тип авто­мо­би­ля NCV при­над­ле­жит Мини­стер­ству окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии. Про­ект финан­си­ро­вал­ся этим мини­стер­ством и осу­ществ­лял­ся в рам­ках сотруд­ни­че­ства меж­ду япон­ским пра­ви­тель­ством, иссле­до­ва­те­ля­ми, авто­про­из­во­ди­те­ля­ми и сери­ей из 22 ком­па­ний, кото­рые поста­ви­ли раз­лич­ные ком­по­нен­ты.

Тот факт, что NCV эко­ло­гич­ный, не явля­ет­ся самым впе­чат­ля­ю­щим дости­же­ни­ем авто­мо­би­ля. Он лег­че и проч­нее сталь­ных авто. Мате­ри­ал из нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон на 1/5 лег­че ста­ли и в 5 раз проч­нее её. Это отлич­ная аль­тер­на­ти­ва сталь­ных дета­лей авто­мо­би­ля. Это озна­ча­ет, что для обес­пе­че­ния доста­точ­ной тяги NCV тре­бу­ет­ся мень­шая мощ­ность.

Про­из­вод­ствен­ный про­цесс зна­чи­тель­но сокра­ща­ет выбро­сы угле­кис­ло­го газа, обыч­но свя­зан­ные с про­из­вод­ством авто­мо­би­лей. А когда авто­мо­биль уста­ре­ет или выво­дит­ся из экс­плу­а­та­ции, все пане­ли кузо­ва из нано­ма­те­ри­а­ла могут быть пере­ра­бо­та­ны для даль­ней­ше­го исполь­зо­ва­ния.

Конеч­но, маши­на не пол­но­стью сде­ла­на из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния, в авто­мо­би­ле так­же исполь­зу­ют­ся тра­ди­ци­он­ные мате­ри­а­лы, такие как металл, стек­ло, рези­на и пла­стик.

Конструкция автомобиля, кузов, дизайн

Нано­во­лок­на CNF широ­ко исполь­зу­ют­ся в кон­струк­ции кузо­ва, две­рей, капо­та крыш­ки багаж­ни­ка, кры­ши авто­мо­би­ля NCV. Неко­то­рые дета­ли в авто­мо­би­ле состо­ят из 10–20% нано­во­ло­кон CNF, а есть дета­ли, изго­тов­лен­ные из 100% это­го ком­по­зи­та. Посколь­ку раз­мер цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон мень­ше дли­ны вол­ны види­мо­го све­та, ком­по­зит мож­но сде­лать про­зрач­ным, что было так­же про­де­мон­стри­ро­ва­но на выстав­ке.

Схе­ма кон­струк­ции кузо­ва авто­мо­би­ля NCV, пока­зы­ва­ю­щая какие части кузо­ва были сде­ла­ны с исполь­зо­ва­ни­ем нано­во­лок­на CNF.

Бла­го­да­ря исполь­зо­ва­нию цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон вес авто­мо­би­ля может быть сни­жен на 20 про­цен­тов”, — пояс­нил про­фес­сор Киот­ско­го уни­вер­си­те­та Хиро­ю­ки Яно, кото­рый руко­во­дит иссле­до­ва­ни­я­ми в обла­сти цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон. “Кро­ме того, топ­лив­ная эффек­тив­ность авто­мо­би­ля повы­ша­ет­ся на 10 про­цен­тов, что так­же спо­соб­ству­ет сокра­ще­нию выбро­сов CO2”.

Министр окру­жа­ю­щей сре­ды Син­дзи­ро Коид­зу­ми, при­сут­ство­вав­ший на авто­вы­став­ке, не мог удер­жать­ся от ком­мен­та­рия, когда он попы­тал­ся под­нять капот авто­мо­би­ля. “Это был пер­вый раз, когда я под­нял капот авто­мо­би­ля толь­ко одной рукой!” вос­клик­нул он.

Дизайн кузо­ва кон­цеп­та NCV был раз­ра­бо­тан Юдзо Нии­ми (Yuzo Niimi) из под­раз­де­ле­ния Toyota Customizing & Development. NCV выгля­дит как супер­кар с вер­ти­каль­но откры­ва­ю­щи­ми­ся две­ря­ми и пря­мы­ми лини­я­ми кузо­ва, напо­ми­ная Lamborghini и Acura NSX.

Тех­ни­че­ские харак­те­ри­сти­ки

Ника­ких тех­ни­че­ских дета­лей кон­цеп­та NCV не было обна­ро­до­ва­но. Есть лишь пред­по­ло­же­ния, что он рабо­та­ет на водо­род­ном топ­ли­ве, либо от элек­три­че­ства. Несмот­ря на то, что авто­мо­биль выгля­дит так, буд­то он готов ездить на мак­си­маль­ных ско­ро­стях, в насто­я­щее вре­мя он раз­ви­ва­ет ско­рость все­го лишь в 12 миль/ч, доста­точ­ную, что­бы заехать на выстав­ку и вер­нуть­ся обрат­но в лабо­ра­то­рию. Основ­ное вни­ма­ние уде­ля­лось, в первую оче­редь, тому, что­бы сде­лать его из эко­ло­ги­че­ски чистых мате­ри­а­лов, а не тех­ни­че­ским харак­те­ри­сти­кам.

Салон

Инте­рьер эко­ло­гич­но­го авто­мо­би­ля име­ет тра­ди­ци­он­ную япон­скую эсте­ти­ку, с белы­ми сиде­нья­ми в сти­ле кимо­но, руле­вым коле­сом, покры­тым оплёт­кой в сти­ле руч­ки ката­ны, при­бор­ной пане­лью из нату­раль­но­го дере­ва, и золо­тым цве­точ­ным узо­ром, види­мым в несколь­ких местах сало­на.

Какие ещё компании используют целлюлозное нановолокно?

До сих пор раз­ра­бот­ка ком­по­зи­тов на осно­ве CNF в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни была пре­ро­га­ти­вой про­из­во­ди­те­лей бума­ги. Раз­ра­бот­ка CNF нача­лась в 2000‑х годах. Daio и Nippon Paper Industries осу­ществ­ля­ют тесто­вое про­из­вод­ство мате­ри­а­ла с 2013 года.

Сей­час гон­ка по раз­ра­бот­ке новых мате­ри­а­лов для авто­мо­би­лей наби­ра­ет обо­ро­ты сре­ди про­из­во­ди­те­лей хими­че­ской и бумаж­ной про­дук­ции в Япо­нии, так как авто­про­из­во­ди­те­ли ищут спо­со­бы сде­лать свою про­дук­цию более эко­но­мич­ной и эко­ло­ги­че­ски чистой. К при­ме­ру, япон­ская бумаж­ная ком­па­ния Oji Holdings раз­ра­ба­ты­ва­ет мате­ри­ал, состо­я­щий из смол и CNF. По мере раз­ви­тия тех­но­ло­гии в неё будет вовле­кать­ся всё боль­ше ком­па­ний.

• Toyota Boshoku, япон­ский про­из­во­ди­тель авто­мо­биль­ных ком­по­нен­тов. Явля­ет­ся чле­ном груп­пы ком­па­ний Toyota. Они раз­ра­бо­та­ли про­то­тип двер­ной кар­ты авто­мо­биль­но­го сало­на, изго­тов­лен­ный из ком­по­зи­та CNF.
• В две­рях и капо­те неко­то­рых гоноч­ных авто­мо­би­лей в Япо­нии исполь­зу­ет­ся мате­ри­ал на осно­ве нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы ком­па­нии Daio Paper. Дан­ная ком­па­ния наде­ет­ся в буду­щем исполь­зо­вать тех­но­ло­гию в серий­ных авто­мо­би­лях.
• Weyerhaeuser (аме­ри­кан­ская лесо­про­мыш­лен­ная ком­па­ния) сотруд­ни­ча­ет с Ford в тече­ние послед­них трёх лет, что­бы раз­ра­бо­тать спо­со­бы исполь­зо­ва­ния цел­лю­лоз­но­го волок­на в более лег­ких частях, кото­рые могут заме­нить тра­ди­ци­он­ные пла­сти­ки авто­мо­би­ля.
• Furukawa Electric раз­ра­бо­та­ла новую тех­но­ло­гию про­из­вод­ства недо­ро­гих цел­лю­лоз­ных ком­по­зи­тов из нано­во­ло­кон с целью заме­ны доро­го­сто­я­щих ком­по­зи­тов. Ком­па­ния наде­ет­ся умень­шить сто­и­мость про­из­вод­ства мате­ри­а­лов из нано­цел­лю­лоз­ных воло­кон, делая про­цесс изго­тов­ле­ния одно­ста­дий­ным, сме­ши­вая нано­цел­лю­лоз­ные волок­на и смо­лу вме­сте с добав­ка­ми в экс­тру­де­ре, исполь­зуя те же тех­но­ло­гии пере­ра­бот­ки смо­лы, кото­рые он исполь­зу­ет для изго­тов­ле­ния про­во­лоч­ных кабе­лей. Ком­па­ния Furukawa наме­ре­на исполь­зо­вать свои ком­по­зи­ты CNF для внут­рен­ней отдел­ки авто­мо­би­лей, ком­по­нен­тов элек­тро­ни­ки и наруж­ных пане­лей кузо­ва.

Печа­тать ста­тью

Ещё интересные статьи:

Как экологически чистая наноцеллюлоза заменит красители и пластик

Нанокристаллическую целлюлозу называют не иначе как материалом будущего. Его можно синтезировать из древесины, использованной бумаги, то есть он доступен практически всем. Это экологически чистый, а также биосовместимый материал. Благодаря особенным механическим и оптическим свойствам, вытянутой форме частиц, а также различным свойствам, возникающим на поверхности материала, нанокристаллическая целлюлоза постепенно находит массу приложений, еще больше от нее ожидают в перспективе. В лаборатории SCAMT Университета ИТМО магистрантка Елена Еремеева изучает оптические свойства этого материала. Она рассказала о исследованиях нанокристаллической целлюлозы в этой области, а ITMO.NEWS разобрался с другими применениями.

Как получают наноцеллюлозу

Существует несколько способов. Однако для начала нужно получить обычную целлюлозу из древесины. Древесина – это, по сути, сеть целлюлозных волокон, которые скреплены полимером лигнином. Он химическим путем удаляется, и остается только целлюлоза. В обычном виде вещество может напоминать мокрое полотенце. Кроме обработки множества ресурсов растительного сырья (начиная лесными массивами и заканчивая морской флорой) целлюлозу можно получит, использовав бактерии, которые в ходе своей жизнедеятельности ее выделяют.

Далее необходимо разрушить волокна целлюлозы до нанофибрилл, которые примерно в тысячу раз меньше, чем сами волокна. В результате получаются 3D-цепочки молекул целлюлозы, связанных между собой водородными связями. Некоторые «скопления» молекул отделены друг от друга аморфными областями. Если растворить эти области, то получаются те самые нанокристаллы целлюлозы. Это делают с помощью сильных кислот.

Получение наноцеллюлозы из деревьев. Источник: celluforce.com

Производство нанокристаллической целлюлозы для научного и промышленного мира далеко не в новинку. Этот материал известен уже около 50 лет. Однако более пристально его начали изучать лишь в последние десятилетия и обнаружили, что он может заменить цветофильтры (в которых больше не будет токсичных красителей), стать биологически совместимым сенсором для медицинских применений, использоваться в качестве защитного материала и во многих других приложениях.

Оптические свойства наноцеллюлозы, разработки в лаборатории SCAMT

Проявить оптические свойства нанокристаллическая целлюлоза может в том случае, если ее получение было осуществлено гидролизом в среде 65% серной кислоты. После такого воздействия все аморфные части целлюлозы разлагаются до глюкозы, а оставшиеся, менее подверженные воздействию кислоты части сорбируют на себя часть сульфатных групп, приобретая поверхностный заряд. Наличие этого заряда позволяет за счет электростатических взаимодействий самособираться в хеликоидную структуру, как и в молекулах холистерических жидких кристаллов, то есть образовывать спиральную структуру, рассказала Елена Еремеева. Меняя «шаг» закручивания этой спирали, ученые могут изменить дифракционные свойства нанокристалла, иными словами управлять его оптическими свойствами.

Что это значит? Дифракция представляет собой различные отклонения распространения световых волн. В результате этого процесса световая волна может попадать в область дифракционной решетки с одной длиной волны, а выходить из этой области уже с другой длиной. В результате меняется цвет свечения.

Елена Еремеева

Задача ученых сегодня как раз заключается в том, чтобы научиться изменять дифракционную решетку на нанокристалле целлюлозы. Как это можно сделать? Например, в ходе получения «спиралей» наноцеллюлозы в них можно «вставлять» различные вещества-электролиты, которые будут сорбироваться на поверхности кристаллов и таким образом менять расстояние между слоями наноцеллюлозы, то есть менять тот самый «шаг» закручивания, отметила Елена Еремеева.

«Такие объекты в поляризованном свете будут приобретать цветность. Благодаря этому мы сможем получить совершенно иные фотофильтры, для производства которых не нужно будет использовать химические пигменты. То есть это будет экологически чистый продукт. Получать такие нанокристаллы можно будет методом струйной печати, который применяется в том числе в нашей лаборатории

», – добавила она.

Однако сегодня международная исследовательская группа в Университете МакГилла смогла управлять цветностью нанокристаллической целлюлозы уже при просвете и обычным, видимым светом. На практике это значит, что использовать такой метод окраски изделий из целлюлозы можно будет и в бумажной промышленности, и в какой-либо другой, где важно восприятие цвета невооруженным глазом.

Также оптические свойства нанокристаллической целлюлозы можно будет использовать для создания сенсоров. Работа таких сенсоров будет возможна как раз за счет того, что под воздействием каких-либо веществ будут изменяться дифракционные свойства кристалла, то есть меняться расстояние между слоями целлюлозы, – «шаг» закручивания кристалла. Пока наиболее реализуемой разработкой является сенсор влажности. Нанокристаллическая целлюлоза обладает большой площадью поверхности с отличными адсорбционными свойствами, то есть она хорошо поглощает различные вещества. В этом случае будет происходить изменение структуры кристалла, что отразится на его оптических свойствах – например, изменится длина отраженной волны при просвете поляризованным светом.

Источник: geektimes.mirtesen.ru

Также стоит учитывать, что не все вещества можно будет детектировать с помощью нанокристаллической целлюлозы. Потому что молекулы некоторых веществ слишком велики, и при взаимодействии с кристаллами они просто не смогут проникнуть в их «поры», чтобы изменить структуру, подчеркнула Елена Еремеева.

Наноцеллюлоза для гибкой электроники

Наноцеллюлоза обладает свойствами, благодаря которым ее можно будет использовать в качестве основы для создания гибкой электроники. В этом случае нанофибриллы из целлюлозы выступают в роли подложки для компонентов электроники. Например, с помощью послойного осаждения золотых и оксидных наночастиц на целлюлозные волокна можно получить гибкий материал, который может быть использован в качестве электрода для суперконденсатора. Суперконденсаторы используются как источники напряжения, а также могут стать альтернативой аккумуляторам.

Огромный плюс таких подложек заключается в том, что они могут быть полностью биоразлагаемыми, то есть их можно будет утилизировать, погрузив в растворитель. Однако сложность в создании гибкой электроники на их основе заключается в том, что ученым пока сложно получить термическую и химическую устойчивость подложек, в том числе по отношению к той же влаге (воде). Поэтому необходимо разрабатывать покрытия, после нанесения которых подложки будут гидрофобны.

Пленки из наноцеллюлозы, освещенные ультрафиолетовым светом. Источник: gray-group.mcgill.ca

Нацеллюлоза может быть прочнее, чем сталь

Волокна наноцеллюлозы представляют собой вытянутые трубки. Если соединить их вместе, то можно получить материал, который будет прочнее стали или алюминия. Например, в исследовательском центре DESY в Германии ученые уже смогли получить десятисантиметровый образец таких нитей. Для этого они поместили волокна наноцеллюлозы параллельно вместе с потоком воды, в который была добавлена соль. Благодаря соли волокна смогли образовать между собой связи, и после высыхания ученые получили прочный и гибкий материал. Однако задача состоит в том, чтобы сделать это биодеградируемое вещество еще прочнее, чтобы можно было использовать его в промышленности, энергетике.

Также наноцеллюлозу можно использовать в качестве упрочняющего вещества в составе каких-либо композитов. Например, композит из карбоната кальция и наноцеллюлозы получается похожим по своим свойствам на панцирь ракообразных. Так как наноцеллюлоза в составе некоторых композитов может быть прозрачной, вероятно, ее можно будет использовать и в качестве защитных стекол.

Наноцеллюлоза вместо пластика для упаковок и автомобилей

В шведском университете работает научная группа, которая создает биоразлагаемую альтернативу современному пластику. Если придать наноцеллюлозным волокнам гидрофобные и воздухонепроницаемые свойства с помощью специальных добавок, ее можно будет использовать для длительного хранения продуктов питания, например.

Десятисантиметровый образец нитей наноцеллюлозы, полученный в Германии. Источник: phys.org

А в Университете Винсконсина (США) пытаются сделать пластик более легким для использования в автомобильной промышленности. Обычный пластик смешивают с наноцеллюлозой с использованием воды или азота. Это необходимо, так как у пластика и целлюлозы разные температуры начала деградации, что затрудняет производство композита. Другая научная группа из Саудовской Аравии также разрабатывает биоразлагаемый материал на основе наноцеллюлозы для производства автомобильных бамперов. При этом целлюлозу получают из отходов банановой промышленности.

Наноцеллюлоза в медицине, экологии.

Уже есть разработки, в которых наноцеллюлозу используют в качестве подложки для ускоренной регенерации костей в стоматологии. Также есть потенциал применять наноцеллюлозу в составе композитов для ускорения заживления ран. Ученые рассматривают этот материал в качестве основы для таргетированной доставки лекарств. Огромный плюс этого материала заключается в том, что он биосовместим.

Также ведутся исследования по применению наноцеллюлозы в экологии. Губка из аэрогеля на основе наноцеллюлозы абсорбирует нефть и может применяться для очистки водоемов от нефтяных загрязнений, так как она не впитывает воду.

Перейти к содержанию

Новое производство целлюлозных нановолокон и ксилитола

Главная страница » Новое производство целлюлозных нановолокон и ксилитола

Японскими специалистами в области бумажного производства получена экологическая биопродукция ксилита и целлюлозных нановолокон. В качестве исходного сырья использовались модифицированные дрожжевые клетки из материала. Это открытие обещает способствовать развитию производства более экологичной и устойчивой продукции. Подробности по открытию публикует журнал «Green Chemistry». Исследование проводилось группой учёных Высшей школы науки, технологий и инноваций, а также специалистами Исследовательского центра инженерной биологии Университета Кобе.

Ксилотол и целлюлозные нановолокна

Учёные изначально сосредоточили внимание на разнообразных биосоединениях, в частности, на ксилите, ценном товарном химикате, который широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности (например, как заменитель сахара).

Учёными также исследовались инновационные наноматериалы — целлюлозные нановолокна, обладающие огромным экономическим потенциалом благодаря свойствам наноцеллюлозы:

• механические свойства,
• пленкообразующие свойства,
• вязкость и другие.

Целлюлозные нановолокна широко применяются для нужд пищевой, гигиенической, абсорбирующей, медицинской сфер. Для производства косметической и фармацевтической продукции.

Мировой спрос как на ксилитол, так и на целлюлозные нановолокна отмечается стабильным ростом. Но стоимость и вредное воздействие промышленного производства на окружающую среду остаются очень высокими.

Промышленное производство ксилитола и целлюлозных нановолокон из очищенной D-ксилозы и целлюлозных волокон, соответственно, включает дорогостоящие и загрязняющие процессы. Чтобы решить эти проблемы и создать устойчивые, экологически чистые процессы, учёные предложили использовать возобновляемую биомассу, такую как бумажная паста (крафт-целлюлоза).

Биотехнологическое производство ксилита и целлюлозных нановолокон с использованием крафт-целлюлозы, получаемой в бумажной промышленности, обещает выгодный вариант. Крафт-целлюлозу получают в изобилии. Это вещество содержит около 17% D-ксилозы и вполне может применяться для производства ценных товарных соединений и наноматериалов.

Как получали технологические ферменты?

Чтобы высвободить D-ксилозу, содержащуюся в крафт-целлюлозе, обычно необходимо добавлять большое количество дорогостоящих коммерческих ферментов. Поэтому учёные решили использовать микроорганизмы, в частности, модифицированные дрожжи, которые способны самостоятельно продуцировать эти ферменты.

Разработанные модифицированные дрожжевые клетки несут все необходимые процессу ферменты непосредственно на собственной клеточной поверхности. Поэтому разработчики технологии назвали такую стратегию технологией «отображения клеточной поверхности».

Текущим исследованием и экспериментами нановолокна ксилита и целлюлозы получили из крафт-целлюлозы с использованием модифицированного штамма пекарских дрожжей (штамм Saccharomyces cerevisiae YPh599). Штамм экспрессирует три разных фермента (β-D-глюкозидазу, ксилозидазу, ксиланазу) совместно отображающихся на поверхности клетки.

---

При помощи информации: Kobe-U

Ученые создали из гиалуроновой кислоты ранозаживляющие нановолокна

Петербургские ученые создали ранозаживляющие нановолокна из гиалуроновой кислоты, куркумина и усниновой кислоты. Все эти вещества известны и активно применяются, как в фармацевтике, так и в промышленности, правда, еще никогда их не использовали в комплексе и для заживления ран.

Как сообщает пресс-служба Университет ИТМО, сотрудники которого и создали нановолокна, материал был получен методом электроспининга. Суть этой технологии в том, что полимерные волокна формируются под действием электрического напряжения. Схематично этот процесс напоминает рыбалку, отсюда и название.

Нановолокна формируются из нативной гиалуроновой кислоты с добавлением куркумина (это, к слову, основной элемент куркумы) и усниновой кислоты (ее добывают из лишайников).

В результате новый материал может похвастаться уникальным набором свойств от антиоксидантных до противовоспалительных. Ученые не исключают, что нановолокна могут показать эффективность при лечении меланомы.

Кроме того, в составе нановолокна присутствует диметилсульфоксид, это анестетик для наружного применения. Свойства препарата в нановолокнах также сохранены. Исследователи полагают, что если сделать из таких нановолокон повязку, то она станет в полном смысле этого слова ранозаживляющей: будет защищать повреждение от бактерий, снимать боль и способствовать тому, чтобы рана быстрее затянулась.

Сейчас исследовательская группа занимается совершенствованием методики и технологии производства материала. Следующим этапом станет испытание нановолокон на клеточном уровне. Завершение всех испытаний ожидается через два года.

Важным фактором становится и то, что материал должен демонстрировать все свои уникальные свойства в любых условиях, а не только в лаборатории. Именно поэтому будет проверяться при какой температуре работают раневые повязки, будет выбираться оптимальный способ их хранения. Это крайне важно, ведь практика показывает, что такого рода медицинские изделия в большинстве своем применяют в довольно экстремальных условиях.

Первые результаты научного исследования опубликованы в журнале Materials.

Мягкая батарея из дерева

Экология потребления. Целлюлозное нановолокно, полученное из древесной массы, оказывается, довольно полезная вещь. Ранее мы уже рассказывали о создании биоразлагаемых компьютерных чипов. Теперь исследователи из Швеции и США использовали этот материал, чтобы произвести мягкие батареи, которые являются более ударопрочными, чем их традиционные жесткие аналоги.

Целлюлозное нановолокно, полученное из древесной массы, оказывается, довольно полезная вещь. Ранее мы уже рассказывали о создании биоразлагаемых компьютерных чипов. Теперь исследователи из Швеции и США использовали этот материал, чтобы произвести мягкие батареи, которые являются более ударопрочными, чем их традиционные жесткие аналоги.

Используя целлюлозное нановолокно из древесных волокон, команда из Королевского технологического института и Стэнфордского университета произвела мягкий материал для батареи, который может выдержать интенсивное внешнее воздействие.

«Можно создавать невероятные материалы из деревьев и целлюлозы», говорит Макс Хамеди (Max Hamedi), исследователь из Королевского технологического института и Гарвардского университета. «Одним из преимуществ древесного аэрогеля является то, что он может быть использован для трехмерных структур».

«Существуют предельное значение того, насколько тонкий аккумулятор может быть, но это становится менее актуальным вопросом в 3D» говорит Хамеди. «Мы больше не ограничены двумя измерениями. Мы можем создавать в трех измерениях, что позволяет нам поместить больше электроники в меньшем пространстве».
3D структура позволяет хранить значительно больше энергии в меньшем пространстве, чем это возможно с обычными батареями.

«Трехмерные, пористые материалы рассматривались как препятствие к созданию электродов. Но мы доказали, что это не проблема. На самом деле, этот тип структуры и материальная архитектура позволяют проявлять гибкость и свободу в дизайне батарей».

Целлюлозное нановолокно также известно, как целлюлозный нанофибрилл (CNF). Процесс создания материала начинается с разрушения древесного волокна, что делает его примерно в миллион раз тоньше. Целлюлозное нановолокно растворяют, замораживают и затем производят холодную сушку так, чтобы вся влага испарилась, минуя жидкое состояние. Затем материал проходит через процесс, в котором молекулы стабилизируются так, что материал не разрушается.

«Результатом является материал, который является одновременно прочным, легким и мягким», говорит Хамеди. «Материал напоминает пену в матрасе, хотя он немного сложнее, легче и более пористый. Вы можете его трогать, не рискуя повредить».

Готовый аэрогель может быть затем оснащен электронными свойствами. «Мы используем очень точный метод, примерно на атомном уровне, добавляя чернила, которые проводят электричество, в аэрогель. Таким образом, можно покрыть всю поверхность изнутри».

С точки зрения площади поверхности, Хамеди сравнивает материал с парой легких человека, которые, если их развернуть могли бы накрыть целое футбольном поле. «Точно так же один кубический дециметр аккумуляторного материала будет иметь рабочую поверхность, площадь которой больше половины футбольного поля», объясняет он.

«Вы можете давить на него столько, сколько вы хотите. В то время как гибкая и растяжимая электроника уже существуют, ударостойкость является новшеством».

Исследование было проведено в Научном центре Валленберг Вуд Королевского технологического института. опубликовано econet.ru

Концепт NCV получил кузов из нановолокон целлюлозы — ДРАЙВ

Внешность концепта разработал дизайнер Юдзо Ниими из компании Toyota Customizing. Линии напоминают оригами, создавая у зрителя аллюзии на тему бумажных фигурок.

Двадцать два университета, исследовательских института и компании в 2016 году собрались в консорциум для реализации необычного проекта «наноцеллюлозного автомобиля» (Nano Cellulose Vehicle, NCV). Возглавил работу Киотский университет, от автостроителей подключилась корпорация Toyota Motor в лице своей дочки Toyota Customizing & Development, включающей известные марки Toyota Racing Development и Modellista, а ещё ряд поставщиков автокомпонентов. Результат показан на нынешнем автошоу в Токио.

Автомобиль NCV получил различные части кузова из целлюлозного нановолокна (CNF), от капота до дверей и крыши.

Из CNF также выполнены часть силовой структуры и некоторые элементы внутреннего убранства.

Наноцеллюлозный материал (CNF) был получен из растений и переработанных сельскохозяйственных отходов. Согласно разработанной японцами технологии, компоненты клеточной стенки растений извлекаются путём тонкого разрыхления растительных волокон до наноразмера. После механической и химической обработки получаются волокна с длиной от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Такие волокна легче стальных на одну пятую и в пять раз прочнее, они почти не меняют своего размера при перепадах температур. На их базе и создаётся экологически дружественный композит.

Оформление интерьера, конечно, вычурное: от росписи в цветочек до оплётки руля в стиле рукояти катаны. Плюс добавлено дерево. И на этом фоне — камеры вместо зеркал.

Идея всего проекта в целом очень похожа на финский концепт UPM Biofore (композит из целлюлозы плюс термоформованная фанера) и поддерживает такие работы автопроизводителей, как фордовские пластик из томатов и композиты «из текилы», маздовский растительный полимер.

Хотя концепт движется, полноценной машиной его можно считать условно. Это просто демонстратор технологий. Внутри скрыты, по последней моде, водородные топливные элементы, а максималка составляет всего 20 км/ч. Ну, для авто с телепортацией это не страшно.

В ту же копилку можно положить вторичные пластики, полученные путём переработки заброшенных рыболовных сетей в салонах Volvo и Porsche, композит из льна, опять же, у Porsche, волокна хлопка и бамбука в моделях Мазды, кузовные панели из ультратонкой ткани в опытах фирмы EDAG. Цель у всех этих ноу-хау одна — уменьшить зависимость промышленности от ископаемого сырья и наладить новые пути вторичного использования отходов, дабы меньше оставлять мусора природе. Заодно новые материалы могут и вес сэкономить. Японцы не сказали, в каких машинах появится новый композит, но наверняка в Тойотах будущего мы его встретим, пусть не в таком масштабе, как в данном концепте.

На основе целлюлозного нановолкна создан самый прочный биоматериал

Группа шведских исследователей, использовавших источник рентгеновского излучения DESY PETRA III, создала новый вид биоматериала, который является самым прочным материалом биологической природы на сегодняшний день. Прочность этому материалу обеспечивают тончайшие целлюлозные волокна, превосходящие по своим характеристикам даже паучий шелк, который до этого момента считался самым прочным биоматериалом на свете. Целлюлозные нановолокна (cellulose nanofibres, CNF) являются основным материалом, из которого состоит практически все растительного происхождения. Используя разработанный ими производственный метод, исследователи сумели придать свойства целлюлозных нановолокон новому легкому материалу, который может стать более экологически чистой альтернативой пластикам, использующимся в автомобильной, мебельной, авиационной, других областях промышленности и в медицине.

Воспользуйтесь нашими услугами

Ученые взяли за основу коммерчески доступные целлюлозные нановолокна, диаметр которых равен от 2 до 5 нанометров, а длина – порядка 700 нанометров. Эти нановолокна были размешаны в воде, которая вытекала через тонкий канал, диаметром в один миллиметр. Выходная часть этого канала проходила сначала через полость, заполненную деионизированной водой, а затем, через воду с низким значением pH-фактора. За счет некоторых технологических уловок, поток воды с нановолокнами ускорялся и сжимался.

Этот процесс получил название гидродинамической фокусировки (hydrodynamic focussing), он позволил выровнять все нановолокна в потоке в одну сторону и они связались в достаточно плотное более толстое волокно, скрепленное силами молекулярных и надмолекулярных связей, такими, как силы Ван-дер-Ваальса.

Используя рентген, излучаемый источником PETRA III, исследователи смогли изучить все тонкости и максимально оптимизировать производственный процесс. И в результате этого на свет появилась целлюлозная нить, толщиной 15 микрометров и длиной в несколько метров. Проведенные испытания показали, что столь тонкая нить выдерживает усилие на разрыв в 86 ГПа, а ее предел прочности равен 1.57 ГПа.

И в заключение отметим, что данные исследования открывают путь к разработке целого ряда новых материалов на основе целлюлозных нановолокон, которые могут быть использованы даже для изготовления больших структур за счет их высокого прочности. А модернизация нового технологического процесса, как надеются ученые, позволит производить нити не из целлюлозы, а из углеродных нанотрубок и других наноматериалов. Такие нити будут невероятно прочны и когда они появятся на свет, можно будет начинать думать о практической реализации такой фантастической идеи, как космический орбитальный лифт.

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Нановолокно целлюлозы, также известное как Нанофибрилла целлюлозы

Переключить меню Категории

• Химическая промышленность
• Генетика
• Оборудование
  • Все оборудование
  • Блоки сухого нагрева
• Популярные товары
• Товары со скидкой
• Материалы для COVID-19
• Материалы для 3D-принтера
• Углеродные нанотрубки
  • Все углеродные нанотрубки
  • Волокна углеродных нанотрубок
  • Губки с углеродными нанотрубками
  • Дисперсии УНТ
    • Все дисперсии УНТ
    • Все дисперсии углеродных нанотрубок
  • УНТ с двойными стенками
  • УНТ одностенные
    • Все одностенные УНТ
    • SWCNT,> 65%
    • SWCNT,> 92%
    • SWCNT,> 95%
    • SWCNT,> 96%
    • SWCNT,> 65%, -COOH
    • SWCNT,> 92%, -COOH
    • SWCNT,> 65%, -ОН
    • SWCNT,> 92%, -ОН
  • Графитированные многостенные УНТ
  • Многостенные УНТ короткой длины
  • Многостенные УНТ
    • Все многостенные УНТ
    • MWCNT,> 92%
    • MWCNT,> 95%
    • MWCNT,> 96%
    • Согласованные MWCNT,> 96%
    • MWCNT,> 90%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -COOH
    • MWCNT,> 96%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -Ni
    • MWCNT,> 99%, -Ni
    • Промышленные MWCNT
    • Углеродные нановолокна
• Графен
• Фуллерен
• Наночастицы
• Микрочастицы
• Редкоземельные материалы
• Мишени для распыления
  • Все мишени для распыления
  • Названия мишеней для распыления A — C

.

Нанофибриллированная целлюлоза (целлюлоза нанофибрилла)

Переключить меню Категории

• Химическая промышленность
• Генетика
• Оборудование
  • Все оборудование
  • Блоки сухого нагрева
• Популярные товары
• Товары со скидкой
• Материалы для COVID-19
• Материалы для 3D-принтера
• Углеродные нанотрубки
  • Все углеродные нанотрубки
  • Волокна углеродных нанотрубок
  • Губки с углеродными нанотрубками
  • Дисперсии УНТ
    • Все дисперсии УНТ
    • Все дисперсии углеродных нанотрубок
  • УНТ с двойными стенками
  • УНТ одностенные
    • Все одностенные УНТ
    • SWCNT,> 65%
    • SWCNT,> 92%
    • SWCNT,> 95%
    • SWCNT,> 96%
    • SWCNT,> 65%, -COOH
    • SWCNT,> 92%, -COOH
    • SWCNT,> 65%, -ОН
    • SWCNT,> 92%, -ОН
  • Графитированные многостенные УНТ
  • Многостенные УНТ короткой длины
  • Многостенные УНТ
    • Все многостенные УНТ
    • MWCNT,> 92%
    • MWCNT,> 95%
    • MWCNT,> 96%
    • Согласованные MWCNT,> 96%
    • MWCNT,> 90%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -COOH
    • MWCNT,> 96%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -Ni
    • MWCNT,> 99%, -Ni
    • Промышленные MWCNT
    • Углеродные нановолокна
• Графен
• Фуллерен
• Наночастицы
• Микрочастицы
• Редкоземельные материалы
• Мишени для распыления
  • Все мишени для распыления
  • Названия мишеней для распыления A — C

.

Нановолокна целлюлозы и их применение для армирования смол

Как описано в предыдущем разделе введения, Kondo et al. [5] и авторы [7] нашли метод изготовления целлюлозных нановолокон путем обработки целлюлозных порошков в водной суспензии сверхвысоким давлением (200 или 245 МПа) с противодействием столкновению. В нашем случае морфологические особенности полученного нановолокна целлюлозы (CNF) были исследованы с помощью метода сублимационной сушки и наблюдений с помощью SEM. Полученные нановолокна имеют тенденцию сцепляться сами по себе во время смешивания в расплаве с термопластичными полимерами, олигомерами или форполимерами.Таким образом, были исследованы методы смешивания или изготовления, с одной стороны, и химическая модификация исходной целлюлозы, чтобы предотвратить агломерацию CNF, с другой стороны. Химическая модификация может ограничивать самосборку CNF за счет стерических затруднений, электростатического отталкивания и так далее. Недавнее открытие заключалось в том, что вид целлюлозы сильно влияет на производство нановолокна. Эти полученные свойства УНВ обсуждаются в первую очередь.

2.1. Экспериментальная

2.1.1. Материалы

Микронизированный порошок целлюлозы (KC flock W-400G, средний размер частиц: 24 мкм) был поставлен Nippon Paper Chemicals. «Avicel», кристаллическая целлюлоза была от Asahi Kasei Co. Повсюду использовали деионизированную воду, в том числе в виде суспензии порошков образцов.

2.1.2. Методы

Микропульверизация порошков целлюлозы

Приблизительно 500 г микронизированного порошка целлюлозы суспендировали в 20-кратном весе деионизированной воды с помощью мощного перемешивающего устройства и помещали в питающий резервуар Star Burst HJP-25080 (Sugino Machine Ltd. .), который использовался для встречного столкновения струи пульпы. Водная суспензия целлюлозы из питающего резервуара была разделена на два проточных канала, в которых затем было повышено давление до 245 МПа, и они мгновенно впрыскивались из небольших форсунок с высокой скоростью. Это позволило каждому потоку жидкости столкнуться в камере, где они объединились. Машина автоматически допускает повторные обработки с противодействием сверхвысоким давлением, и наши образцы получили от одного до десяти столкновений (проходов).

Характеристика

Сканирующая электронная микроскопия

Морфологии необработанной целлюлозы, а также лиофилизированной целлюлозы до и после обработки встречным столкновением наблюдались с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-T330A (JEOL) .Образцы устанавливали на латунные стержни и покрывали тонким слоем золота с помощью устройства для нанесения ионного напыления. Обработка сублимационной сушкой применялась к водным суспензиям целлюлозы, а также к суспензиям, полученным путем замены растворителя, описанным ниже. Было выполнено четыре метода сублимационной сушки.

Обычная сублимационная сушка 1. Водную суспензию целлюлозного образца помещали в стеклянную бутылку и помещали в обычную сублимационную сушилку (EYELA FD-550; Tokyo Rikakikai), охлаждали до -30 ° C и подвергали сублимационной сушке.

Обычная сублимационная сушка 2 . Водную суспензию целлюлозного образца помещали в стеклянную бутыль и замораживали, погружая бутыль в жидкий азот. Затем образец подвергали обычной сублимационной сушке.

Сублимационная сушка с заменой растворителя. Впитанную воду водной суспензии целлюлозы заменяли на метанол, а затем на бензол или t -бутиловый спирт, с несколькими заменами каждого растворителя. Гель, содержащий бензол или t -бутиловый спирт, подвергали регулярной сублимационной сушке 2, как описано выше.

Быстрая сублимационная сушка. Впитанную воду водной суспензии целлюлозы заменяли на метанол, а затем на t -бутиловый спирт, с несколькими заменами каждого растворителя. Несколько капель геля, содержащего t -бутиловый спирт, помещали непосредственно в жидкий азот, хранящийся в сосуде Дьюара, а затем подвергали обычной сублимационной сушке, как указано выше.

2.2. Результаты и обсуждение

Сначала пытались использовать планетарную шаровую мельницу, бисерную мельницу и гомогенизатор сверхвысокого давления для преобразования суспензии целлюлозы в соответствующее нанопульверизированное состояние.Гомогенизатор сверхвысокого давления оказался наиболее подходящим, поскольку он может предложить повышенную эффективность и гибкость по сравнению с другими. В частности, гомогенизатор сверхвысокого давления предлагал наиболее простые средства и легкость в использовании для отделения образца от обрабатывающей среды (шариков, гранул). Проблем, связанных с загрязнением обработанного образца примесями, полученными из среды, можно избежать, и обработка большего количества образцов возможна в течение более короткого периода времени.В этом исследовании Star-Burst HJP-25080 использовался в качестве гомогенизатора сверхвысокого давления.

Дополнительной особенностью этой обработки гомогенизатором сверхвысокого давления является то, что обработанное целлюлозное волокно может гомогенно диспергироваться в воде в течение длительного периода времени. [5, 7] Считается, что целлюлозные волокна можно сильно измельчить, чтобы увеличить их удельную поверхность, чтобы получить гораздо более гидратированное состояние, чем то, которое достигается с необработанным целлюлозным волокном. Для визуализации микропульверизированных состояний целлюлозы, предварительно обработанной встречным столкновением, морфологическая структура была изучена с помощью SEM в зависимости от метода сушки.

На рис. 1 показана СЭМ фотография обработанной противоударным способом целлюлозы, высушенной обычным методом сублимационной сушки 1, в сравнении с фотографией необработанной целлюлозы. Наблюдается, что целлюлоза, обработанная Star Burst (фиг. 1b), имеет морфологические особенности поверхности, отличные от необработанной целлюлозы (фиг. 1a). Первый имеет волокнистую поверхность по сравнению со вторым, но большая часть площади сильно коагулируется с образованием агрегатных структур. Широко признано, что относительно медленный процесс замораживания вызывает образование кристаллов льда и выдавливает микрофибриллы целлюлозы с образованием агрегированной структуры.Считается, что рост кристаллов льда при замерзании предотвращается быстрым охлаждением [10]. Чтобы подтвердить описательную достоверность, была сделана СЭМ-фотография обработанной встречным столкновением целлюлозы, высушенной обычным методом сублимационной сушки 2 (рис.2).

Рисунок 1.

а, б. Фотографии целлюлозных волокон до (а) и после (b) обработки звездчатым взрывом (10 проходов) с последующей регулярной сублимационной сушкой, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). В качестве образца целлюлозы использовали KC flock W-400G.

Рисунок 2.

СЭМ-фотография целлюлозных волокон после обработки Star Burst (10 проходов) с последующей регулярной сублимационной сушкой 2. В качестве образца целлюлозы использовали KC flock W-400G.

Из фиг. 2 видно, что целлюлоза, обработанная Star Burst, имеет морфологические особенности поверхности, более значительно отличающиеся от таковых для необработанной целлюлозы (фиг. 1a). Он теряет жесткую агрегатную структуру, показанную на рис. 1b, но вся поверхность по-прежнему регулярно коагулируется с образованием слоистого слоя из тонких листьев.Кажется, что каждый тонкий лист представляет собой ламели, состоящие из микрофибрилл целлюлозы.

Также известно, что сохранение морфологии фибриллярной целлюлозы лучше достигается сублимационной сушкой с обменом растворителя с использованием метанола и бензола или бутилового спирта t- [10]. Таким образом, планировалось провести дополнительный эксперимент по замене растворителя. И в дополнение к этому, чтобы ускорить процесс замораживания и препятствовать образованию кристаллов льда, была использована быстрая сублимационная сушка. С этой целью капли обменной суспензии помещали непосредственно в жидкий азот, хранящийся в сосуде Дьюара, после замены растворителей вода － метанол t- бутиловый спирт, а затем подвергали быстрой сублимационной сушке.

Полученная фотография, полученная с помощью СЭМ, показана на рис. 3 и 4. При сравнении с изображением на рис. 2 становится ясно, что каждый тонкий лист фибриллярных пластинок целлюлозы существует отдельно от других на этих рисунках, при этом следует отметить, что тонкие пластинки (листы) склеены друг с другом и образуют ламинированные материалы в изображение на рис. 2. Эта легкость слияния тонких листьев вызвана легким образованием водородных связей между гидроксильными группами, присутствующими на различных поверхностях. То есть тонкие листы фибрилл целлюлозы имеют высокую плотность групп –ОН на поверхности, которые имеют тенденцию образовывать водородные связи между гидроксильными группами соседних молекул, принадлежащих другому тонкому листу фибрилл целлюлозы.

Хотя для этого эксперимента использовались наиболее желательные условия сушки вымораживанием, получить волокнистую микрофибриллированную целлюлозу напрямую не удалось. В качестве способов решения этой проблемы авторы экспериментировали с тремя исследованиями.

Первым исследованием было дополнительное перемешивание для превращения тонких листков фибрилл целлюлозы в нановолокна. Это было начато с магнитного перемешивания во время процесса замены растворителя перед лиофилизацией. То есть суспензию целлюлозы измельчали ​​путем встречного столкновения при давлении 245 МПа, после чего измельченный продукт подвергали замене растворителя с последующей сушкой вымораживанием.В эксперименте бензол использовался в качестве конечного растворителя в процессе замены растворителя, а в процессе замены растворителя использовалось механическое перемешивание. СЭМ-фотография соответствующего лиофилизированного продукта показана на рис. 5.

Рисунок 3.

СЭМ-фотография целлюлозных волокон после обработки звездообразным взрывом (10 проходов) с последующей заменой растворителя и быстрой сублимационной сушкой.

Рис. 4.

Другие примеры СЭМ-фотографий целлюлозных волокон после обработки Star Burst (10 проходов) с последующей заменой растворителя и быстрой сублимационной сушкой.

На рис. 5 показано, что большое количество целлюлозных волокон образуется на поверхности или вблизи нее, но за ними наблюдаются ламелеподобные структуры. Волокна целлюлозы можно определить как нановолокно, если принять во внимание толщину (около 38 нм) золотого покрытия. Таким образом, можно утверждать, что, хотя необработанные целлюлозные волокна диаметром 8－20 мкм были измельчены до диаметров в несколько нанометров, образование нановолокон было ограниченным и неполным (рис. 5). И это несмотря на то, что целлюлоза подвергалась гомогенизирующей обработке при сверхвысоком давлении и перемешиванию мешалкой во время процесса замены растворителя.При сравнении результатов рис. 2 и 5, однако, можно сказать, что перемешивание магнитной мешалкой, продолжающееся два дня, привело к недостаточному образованию целлюлозного нановолокна.

Рис. 5.

СЭМ-фотография целлюлозных волокон после обработки Star Burst (10 проходов) с последующей заменой растворителя и регулярной сублимационной сушкой 2.

Затем степень механического воздействия, используемого для последующей обработки встречного столкновения пытались усилить за счет использования Т.K. ROBOMIX® (PRIMIX Co.) или с помощью ультразвукового процессора (Sharp Co .; UT-205HS). Первые использовали агрессивное перемешивание со скоростью 15000 об / мин в течение 60 минут, а второе — обработку в течение 60 минут при 40 кГц.

После этих обработок обе водные суспензии были быстро высушены вымораживанием и были сделаны фотографии с помощью SEM. Как показано на рис. 6, развитие CNF явно продвинулось вперед, но даже после этих дополнительных обработок тонкие листовые структуры целлюлозных пластинок все еще частично сохраняются.Эффект от обработки T.K. ROBOMIX стал больше по сравнению с обработкой ультразвуковым процессором [11].

Считается, что сильное перемешивание с последующим умелым замешиванием с помощью двухшнекового экструдера нарушит структуру тонких листов фибриллярных пластинок целлюлозы, в результате чего получится нановолоконная микрофибриллированная целлюлоза. Чтобы проверить этот момент, было проведено несколько экспериментов, результаты которых представлены в третьем разделе этой статьи.

Второе исследование заключалось в использовании полуэтерифицированной целлюлозы ангидрида двухосновной кислоты (например,г. малеиновый ангидрид) для обработки гомогенизатором сверхвысокого давления. Путем введения небольших количеств (1 ~ 5 мас.%) Полуэфиров на аморфную область и поверхность микрофибрилл целлюлозы с последующей обработкой противодействием коллозии усилились эффекты электростатического отталкивания и стерических затруднений, и было обеспечено довольно хорошее образование нановолокон. вызвано, как показано на рис. 7. Из этого рисунка понятно, что степень преобразования в нановолокно увеличивается.

Рисунок 6.

СЭМ-фотография KC flock W-400G после обработки Star Burst (10 проходов) с последующим интенсивным перемешиванием со скоростью 15000 об / мин в течение 60 минут (слева) или обработкой ультразвуковым процессором (40 кГц) (справа) с последующей быстрой сублимационной сушкой.

Рис. 7.

СЭМ-фотография полуэтерифицированных целлюлозных волокон после обработки Star Burst (10 проходов) с последующей быстрой сублимационной сушкой.

Третье исследование заключалось в выборе вида целлюлозы. Между микронизированным целлюлозным порошком KC flock W-400G и кристаллической целлюлозой Avicel наблюдаются большие различия в поведении формирования нановолокон. Последнее легче преобразовать в нановолокно по сравнению с первым. Даже в необработанном состоянии между ними есть очевидные различия, как показано на рис.8. В случае Avicel волокна четко видны, а в случае KC flock W-400G волокна гораздо больше погружены в связующие матрицы.

С другой стороны, однако, когда использовался Avicel, формирование нановолокон осуществлялось через 5 минут агрессивного пост-перемешивания со скоростью 15000 об / мин после того, как обработка Star Burst дала огромный эффект для этого вида целлюлозы (рис. 9). Результаты, показанные на фиг. 8 и 9, а также 6 показывает большую разницу, вызванную отбором целлюлозы.

Рис. 8.

СЭМ-фотографии поверхности необработанных порошков KC flock W-400G (справа) и «Авицел» (слева).

Рис. 9.

СЭМ-фотография Авицела после обработки Star Burst (10 проходов) с последующим агрессивным перемешиванием с TK ROBOMIX (скорость перемешивания 15000 об / мин в течение 5 минут) и быстрой сублимационной сушкой.

Другой проблемой было процентное количество наноцеллюлозного волокна, смешанного с матричными смолами. В целом исследователи и ученые пытался использовать значения 10% и более.Вначале они использовали более высокую концентрацию УНВ 50 ~ 90% в соответствующих композитах.

С другой стороны, существуют аргументы, утверждающие, что чем меньше размер частицы, тем меньше зазор между частицей в композитах на основе смолы и частицы / матрицы, когда концентрация частиц постоянна [12]. Наночастицы — это частицы, имеющие почти наименьший размер, при котором зазор между ними является наименьшим. Под влиянием этих аргументов авторы выбрали концентрацию УНВ небольшой, то есть менее 1 мас.%.В связи с этим была приготовлена ​​0,05% водная суспензия нановолокон Avicel, и ее СЭМ-изображения были получены после быстрой сублимационной сушки (рис. 10). Приготовление нановолокон было следующим: была приготовлена ​​водная смесь тонкодисперсных порошков Avicel с концентрацией Avicel 0,05%, обработанная Star Burst при 245 МПа встречных столкновений (10 проходов), с последующим интенсивным перемешиванием с TK ROBOMIX (скорость перемешивания 15000 об / мин в течение 5 мин) и быстрой сублимационной сушкой. Из этого рисунка известно, что хотя концентрация суспензии составляет всего 0.05%, нановолокна указывают на близко расположенную морфологию, ответственную за сетчатые структуры [11]. То есть показана переполненная трехмерная сетевая структура.

Известно, что образование УНВ достигается гораздо лучше, чем на рис. 6, 7 и 10. Это снова означает, что выбор Avicel вместо KC flock W-400G значительно упрощает формирование нановолокон.

Рис. 10.

СЭМ-фотография быстро замороженной водной суспензии 0,05% нановолокон Avicel. Образец был изготовлен из 0.05 мас.% Водной смеси Avicel после обработки Star Burst (10 проходов) с последующим агрессивным перемешиванием с T.K. ROBOMIX (скорость перемешивания 15000 об / мин в течение 5 минут) и быстрой сублимационной сушкой.

.

Наноцеллюлоза — Nanografi

Переключить меню Категории

• Химическая промышленность
• Генетика
• Оборудование
  • Все оборудование
  • Блоки сухого нагрева
• Популярные товары
• Товары со скидкой
• Материалы для COVID-19
• Материалы для 3D-принтера
• Углеродные нанотрубки
  • Все углеродные нанотрубки
  • Волокна углеродных нанотрубок
  • Губки с углеродными нанотрубками
  • Дисперсии УНТ
    • Все дисперсии УНТ
    • Все дисперсии углеродных нанотрубок
  • УНТ с двойными стенками
  • УНТ одностенные
    • Все одностенные УНТ
    • SWCNT,> 65%
    • SWCNT,> 92%
    • SWCNT,> 95%
    • SWCNT,> 96%
    • SWCNT,> 65%, -COOH
    • SWCNT,> 92%, -COOH
    • SWCNT,> 65%, -ОН
    • SWCNT,> 92%, -ОН
  • Графитированные многостенные УНТ
  • Многостенные УНТ короткой длины
  • Многостенные УНТ
    • Все многостенные УНТ
    • MWCNT,> 92%
    • MWCNT,> 95%
    • MWCNT,> 96%
    • Согласованные MWCNT,> 96%
    • MWCNT,> 90%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -COOH
    • MWCNT,> 96%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -Ni
    • MWCNT,> 99%, -Ni
    • Промышленные MWCNT
    • Углеродные нановолокна
• Графен
• Фуллерен
• Наночастицы
• Микрочастицы
• Редкоземельные материалы
• Мишени для распыления
  • Все мишени для распыления
  • Названия мишеней для распыления A — C

.