Нано эксперименты

На состоявшейся в апреле в Москве международной  конференции «Наноцеллюлоза – 2017», которая была посвящена обсуждению проблем и перспектив производства и применения наноцеллюлозных материалов, Светлана Константинова, кандидат биологических наук АО «Государственного научного центр лесопромышленного комплекса» сделала доклад о перспективах применения наноцеллюлозных материалов в разных сферах. В частности, она рассказала о влиянии наноцеллюлозы на механические свойства лайнера, флютинга и гофрокартона.

Для получения гидрогелей наноцеллюлозы, которая потом может быть использована в качестве компонента в разных сферах, могут быть использованы различные виды целлюлозосодержащего растительного сырья (рис.1).

На рис. 2 приводится блок-схема производства нанофибриллярной целлюлозы. Фотография общего вида опытно-экспериментальной линии для получения нанофибриллярной целлюлозы (НФЦ), на которой проводились эксперименты, результаты которых приведены ниже, смотрите  на рис. 3.

На рис. 4 изображена поэтапная дезинтеграция (расщепление) целлюлозы.

Структурно-размерные характеристики наночастиц полученных гидрогелей (Сэм Leo Supra 25):

а – микрокристаллическая целлюлоза, полученная после обработки волокон в течение 2 ч, 10% раствором серной кислоты, при температуре 90–95 °С;
б – схематическое изображение элементарных фибрилл целлюлозы;
в – электронная микроскопия поверхности пленки НКЦ ;
г – электронная микроскопия поверхности пленки НФЦ;
д – гидрогель нанофибриллярной целлюлозы после ультратонкого измельчения в коллоидной мельнице MK IKA (продолжительность обработки – минимальный зазор между ротором и статором ? 5 мкм) и последующей обработки в гомогенизаторе высокого давления НРН IKA (концентрация – 3,7%, рабочее давление – 1500 – 1700 кг/см²,1 проход).

На рис. 5  указана сравнительная характеристи наноцеллюлозы, а на рис. 6 приведены способы применения гидрогеля наноцеллюлозы при производстве бумаги для печати, упаковочных видов бумаги и картона.

Результаты испытаний

В итоге влияние наноцеллюлозы на механические свойства бумаги для гофрирования (рис. 7) выглядит таким образом. Прирост основных показателей качества бумаги для гофрирования, изготовленной с применением наноцеллюлозы: сопротивление плоскостному сжатию – 44%; абсолютное сопротивление продавливанию – 50%; удельное сопротивление разрыву – 52%.

Влияние наноцеллюлозы на механические свойства картона для плоских слоев гофрированного картона (рис. 8) выглядит так. Прирост основных показателей качества картона для плоских слоев гофрированного картона, изготовленного с применением наноцеллюлозы составил: абсолютное сопротивление продавливанию – 74%; разрушающее усилие при сжатии кольца – 87%;  концентрация взвешенных веществ в стоках снизилась на 80%.

Влияние наноцеллюлозы на механические свойства картона гофрированного (рис. 9) на технологическом оборудовании ЗАО «Энгельсский завод гофротары» выглядит так. Установлен положительный эффект модификации клеевых композиций наноцеллюлозой при производстве картона гофрированного: сопротивление продавливанию увеличилось на 34%; сопротивление расслаиванию увеличилосьна 28%; сопротивление торцовому сжатию увеличилось на 44%; удельное сопротивление разрыву увеличилось на 50%.

Технологическое применение наноцеллюлозы в клеевых составах

Гидрогели наноцеллюлозы были использованы в качестве компонента клея, применяемого при изготовлении фанеры на ЗАО «ЧФМК». Замена части композиционного клеевого состава гидрогелем НКЦ составляла 2,5% и 5,0 %.

В результате испытаний полученной продукции по показателям механической прочности установлено, что применение наноцеллюлозы позволяет существенно повысить такие свойства, как жесткость при изгибе и прочность клеевого шва при намокании. Увеличение показателей механической прочности составило 15–20 %.

Необходимость стандартизации

Использование в литературе различной терминологии для описания целлюлозных наноматериалов приводит к непониманию и двусмысленности, препятствует унификации, целостному восприятию предмета и требует разработки  нормативных документов технического регулирования в сфере стандартизации (термины и определения, технические условия, методы анализа.

Выводы

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы: разработан технологический регламент на получение НФЦ с использованием кислотного гидролиза. Изготовлена опытно-экспериментальная линия по производствуНФЦ мощностью 100 кг 3% гидрогеля/сут. Полученный материал охарактеризован с помощью современных инструментальных методов исследования. Полученный материал апробирован в условиях действующих производств: компонент клеевых составов, производство бумаги и картона. Отработаны условия получения НФЦ с применением ферментативного гидролиза. Необходимо дальнейшее масштабирование производства НЦ, разработка композиционных материалов на ее основе.