Các biocomposite cellulose được mercer hóa: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình mercer hóa đến cấu trúc siêu phân tử cellulose, giá trị giữ nước và tính chất kéo

Springer Science and Business Media LLC - 2013
Helena Halonen1,2, Per Tomas Larsson1,2, Tommy Iversen2,1
1Innventia AB, Stockholm, Sweden
2Wallenberg Wood Science Center, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của mức độ mercer hóa đến giá trị giữ nước (WRV) và các tính chất kéo của bột giấy hòa tan sulfit ép nén đã được đánh giá. Bột giấy đã được xử lý bằng dung dịch NaOH 9, 10 hoặc 11% trong 1 giờ trước khi ép nén. Để nghiên cứu sự phụ thuộc theo thời gian của quá trình mercer hóa, bột giấy đã được xử lý bằng NaOH 12 wt% trong 1, 6 hoặc 48 giờ. Hàm lượng cellulose I và II của các biocomposite đã được xác định bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13 phân cực chéo/trục góc kỳ diệu (CP/MAS 13C NMR). Qua việc khớp phổ trong vùng C6 và C1, hàm lượng cellulose I và II đã được xác định. Quá trình mercer hóa làm giảm độ tinh thể tổng thể (tổng hàm lượng cellulose I và cellulose II) và không thể chuyển đổi hết cellulose I thành cellulose II trong khoảng NaOH đã nghiên cứu. Việc chuyển đổi không tăng đáng kể với NaOH 12 wt% ở những thời gian xử lý dài hơn. Việc giảm tốc độ chuyển đổi cellulose I được gợi ý là kết quả của việc hình thành cellulose II do sự hợp nhất của các bề mặt đối song song của các fibril lân cận (Blackwell et al. trong Tappi 61:71–72, 1978; Revol và Goring trong J Appl Polym Sci 26:1275–1282, 1981; Okano và Sarko trong J Appl Polym Sci 30:325–332, 1985). Việc ép nén các bột giấy hòa tan đã được mercer hóa một phần đã tạo ra các biocomposite có tính chất kéo có thể liên quan đến sự giảm hàm lượng cellulose I trong bột giấy. Quá trình mercer hóa tạo ra cellulose II và cellulose không có trật tự, làm giảm độ tinh thể tổng thể, phản ánh qua độ nhạy nước cao hơn (giá trị WRV cao hơn) và độ cứng kém hơn của các biocomposite đã được mercer hóa.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Atalla RH, Gast JC, Sindorf DW, Bartuska VJ, Maciel GE (1980) 13C NMR spectra of cellulose polymorphs. J Am Chem Soc 102:3249–3251

Blackwell J, Kolpak FJ, Gardner KH (1978) The structure of cellulose I and II. Tappi 61:71–72

Ciolacu D, Pitol-Filho L, Ciolacu F (2012) Studies concerning the accessability of different allomorphic forms of cellulose. Cellulose 19:55–68

Dinand E, Vignon M, Chanzy H, Heux L (2002) Mercerization of primary wall cellulose and its implication for the conversion of cellulose I → cellulose II. Cellulose 9:7–18

Dudley RL, Fyfe CA, Stephenson PJ, Deslandes Y, Hamer GK, Marchessaul RH (1983) High-resolution 13C CP/MAS NMR spectra of solid cellulose oligomers and the structure of cellulose II. J Am Chem Soc 105:2469–2472

Fink HP, Walenta E, Philipp B (1999) Investigations of the time dependence of the conversion of cellulose to alkali cellulose by X-ray diffraction. Papier 53:25–31

Gindl W, Keckes J (2005) All-cellulose nanocomposite. Polymer 46:10221–10225

Hine PJ, Ward IM, Olley RH, Bassett DC (1993) The hot compaction of high modulus melt-spun polyethylene fibres. J Mater Sci 28:316–324

Kono H, Numata Y, Erata E, Takai M (2004) 13C and 1H resonance assignment of mercerized cellulose II by two-dimensional MAS NMR spectroscopies. Macromolecules 37:5310–5316

Larsson PT, Wickholm K, Iversen T (1997) A CP/MAS 13C NMR investigation of molecular ordering in celluloses. Carbohydr Res 302:19–25

Lennholm H, Wallbäcks L, Iversen T (1995) Solid-state high-resolution 13C-NMR studies of regenerated cellulose samples with different crystallinities. Nord Pulp Pap Res J 10:46–50

Mansikkamäki P, Lahtinen M, Rissanen K (2005) Structural changes of cellulose crystallites induced by mercerization in different solvent systems; determined by powder X-ray diffraction method. Cellulose 12:233–242

McKenzie AW, Higgins HG (1958) The structure and properties of paper. Sven Papperstidn 61:893–901

Nilsson H, Galland S, Larsson PT, Gamstedt EK, Nishino T, Berglund LA, Iversen T (2010) A non-solvent approach for high-stiffness all-cellulose biocomposites based on pure wood cellulose. Compos Sci Technol 70:1704–1712

Nilsson H, Galland S, Larsson PT, Gamstedt EK, Iversen T (2012) Compression molded wood pulp biocomposites—a study of hemicellulose influence on cellulose supramolecular structure and material properties. Cellulose. doi:https://doi.org/10.1007/s10570-012-9688-2

Nishino T, Arimoto N (2007) All-cellulose composite prepared by selective dissolving of fiber surface. Biomacromolecules 8:2712–2716

Nishino T, Matsuda I, Hirao K (1995) Elastic-modulus of the crystalline regions of cellulose polymorphs. J Polym Sci B Polym Phys 33:1647–1651

Nishino T, Takano K, Nakamae KJ (2004) All-cellulose composite. Macromolecules 37:7683–7687

O’Sullivan A (1997) Cellulose: the structure slowly unravels. Cellulose 4:173–207

Okano T, Sarko A (1985) Mercerization of cellulose II. Alkali-cellulose intermediates and a possible mercerization mechanism. J Appl Polym Sci 30:325–332

Peijs T (2003) Composites for recyclability. Materials Today April:30–35

Revol J-F and Goring DAI (1981) On the mechanism of the mercerization of cellulose in wood. J Appl Polym Sci 26:1275–1282

Sarko A (1978) What is the crystalline structure of cellulose? Tappi 61:59–61

Soykeabkaew N, Arimoto N, Nishino T, Peijs T (2008) All-cellulose composites by surface selective dissolution of aligned lingo-cellulosic fibres. Compos Sci Technol 68:2201–2207

Soykeabkaew N, Nishino T, Peijs T (2009a) All-cellulose composites of regenerated cellulose fibres by surface selective dissolution. Compos A 40:321–328

Soykeabkaew N, Sian C, Gea S, Nishino T, Peijs T (2009b) All-cellulose nanocomposites by surface selective dissolution of bacterial cellulose. Cellulose 16:435–444

Vanderhart DL, Atalla RH (1984) Studies of microstructure in native cellulose using solid-state 13C NMR. Macromolecules 17:1465–1472

Zhou Q, Malm E, Nilsson H, Larsson PE, Iversen T, Berglund LA, Bulone V (2009) Nanostructured biocomposites based on bacterial cellulosic nanofibers compartmentalized by a soft hydroxyethylcellulose matrix coating. Soft Matter 5:1–8

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Thông tin tác giả