Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Биоразлагаемые полимеры. Часть 3

Целлюлозные волокна практически не абразивны для технологического оборудования, что способствует существенному снижению себестоимости. Они также более безопасны в обращении по сравнению с искусственными волокнами. Основным недостатком целлюлозных волокон является их гидрофильность из-за наличия большого количества гидроксильных групп в полисахаридных молекулах. При смешивании с полимерами с гидрофобной матрицей это приводит к серьезным проблемам с дисперсией и межфазным взаимодействием, которые часто приводят к плохим механическим свойствам. Другие недостатки использования целлюлозных волокон включают ограниченную температуру обработки (менее 200 градусов по Цельсию), высокое поглощение влаги и набухание, неоднородные размеры и свойства, а также низкое микробное сопротивление и пониженная долговечность продукта. Однако многие из этих недостатков могут быть уменьшены или даже устранены путем соответствующей обработки волокон и обработки композитов. Одним из наиболее перспективных применений целлюлозных волокон является разработка полностью биоразлагаемых «зеленых» композитов с использованием биополимеров в качестве матрицы.

«Зеленые» композиты должны быть экологически чистыми, биоразлагаемыми и устойчивыми. Утилизация композитов по окончании срока их службы не наносит вреда окружающей среде. Например, обрабатывали готовый композит из PLA / джутового волокна с использованием технологии укладки пленки. Прочность на растяжение композита была значительно увеличена, когда композит был спрессован в диапазоне температур 180-220 °С. Межфазная связь между гидрофильными волокнами и гидрофобными полимерами может быть улучшена путем совместимости. Исследовали влияние связующего агента (диизоцианата на основе лизина) на свойства композитов из бамбукового волокна (BF). Специалисты обнаружили, что прочность на разрыв, водостойкость и межфазное соединение были улучшены для композитов PLA / BF и PBS / BF после добавления связующего агента. Также обрабатывали готовые композиты из PHBV / бамбукового волокна (BPF) путем компаундирования в расплаве и литья под давлением. Прочность на разрыв и модуль упругости при изгибе, ударная вязкость и скорость кристаллизации были существенно увеличены при добавлении BPF. Удлинения при растяжении и изгибе также были умеренно увеличены при низком содержании волокон (vtytt 20%).

Элементарные кристаллиты целлюлозы, CNW, имеют модуль Юнга более 100 ГПа и площадь поверхности в несколько сотен квадратных метров на грамм. Они способны значительно усиливать полимеры при низких объемных отношениях, как это реализуется другими наноматериалами, такими как углеродные нанотрубки (УНТ) и наноглины. CNW могут быть отделены от целлюлозных волокон кислотным гидролизом. Группа специалистов провела обширные исследования в области производства CNW и обработки различных нанокомпозитов полимер / CNW при помощи обработки в растворе и экструзии. Однородная дисперсия вискеров представляет собой серьезную проблему при обработке нанокомпозита CNW из-за вызванной водородными связями агломерации вискеров. Это было особенно верно, когда лиофилизированный порошок для вискера и полимеры были смешаны путем экструзии. Хорошая дисперсия CNW в полимерной матрице была получена отливкой из раствора или путем непосредственного нагнетания суспензии вискера в экструдер во время процесса экструзии. Было обнаружено, что диспергирующие агенты / компатибилизаторы улучшают дисперсию CNW. Композиты, полученные без хорошего диспергирования, показали незначительное влияние на свойства композитов.

Разные степени успеха были также достигнуты другими исследователями в отношении полимерно-композитных материалов, армированных целлюлозным вискером, полученных методом литья из раствора. Помимо непосредственного использования в качестве армирующего волокна, целлюлозу также подвергали химической обработке с образованием производных целлюлозы, а затем растворяли в соответствующих растворителях (или непосредственно растворяли в подходящих растворителях) с получением растворов высоковязких производных целлюлозы. Этот процесс придает текучесть целлюлозе и, таким образом, делает возможным ее обработку с использованием традиционного оборудования для переработки полимеров. Целлюлозу регенерировали, когда растворы пропускали через коагуляционную ванну. Наиболее широко известной «регенерированной целлюлозой» являются целлофан, тонкая прозрачная пленка, а также вискоза и лиоцелл, которые являются целлюлозными волокнами. Производство лиоцелла является более экологичным, чем производство вискозы и целлофана, поскольку в первом случае не используется опасный CS2 для образования производного целлюлозы, а его растворитель также может быть полностью переработан и использован повторно.