Наноцеллюлозный ликбез

Вмосковском конференц-зале ФГБУ Гос-НИИгенетика 4 апреля состоялась международная конференция «Наноцеллюлоза-2017» – первое отраслевое мероприятие, посвященное производству и применению наноцеллюлоозных материалов.

Целью конференции было обсудить проблемы и перспективы производства и применения наноцеллюлозных материалов.

В работе конференции приняли участие представители федеральных органов исполнительной власти, представители целлюлозно-бумажных, биохимических, машиностроительных и др. предприятий, представители научно-исследовательских и образовательных организаций, представители бизнес-сообществ и ассоциаций.

В рамках конференции обсудили такие темы, как:

• развитие нанотехнологий и рынок наноцеллюлозы;
• высокоэффективные методы производства наноцеллюлозных материалов. Модификация наноцеллюлозных материалов для улучшения их свойств;
• применение наноцеллюлозы в традиционных областях (в бумажной и упаковочной продукции) и в новых областях (модификаторы реологических свойств, покрытия и  композиты, медицина и т. д.);
• перспективные области применения наноцеллюлозных материалов (ЦБП, медицина, биология и т. д.).

На основе докладов и сообщений отмечено, что среднегодовой темп роста мирового рынка наноцеллюлозы между 2016 и 2021 годом составит 30%. По оценке Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ мировой рынок наноцеллюлозы в 2020 году может составить $250 млн только в Северной Америке. Свойства наноцеллюлозы (например, механические свойства, пленкообразующие свойства, вязкость и т. д.) делают ее интересным материалом для многих областей применения, имеющим потенциал для создания многомиллиардного рынка в таких отраслях, как ЦБП, продукты питания, упаковочные и композитные материалы, в т. ч. биоразлагаемые, использование в качестве регулятора и понизителя вязкости буровых растворов в нефте-газодобыче, упаковка, медицина и косметика. Также наноцеллюлоза может быть применена для создания легких и прочных бронежилетов, супергибких экранов, фильтров, гибких аккумуляторов.

Полимерные материалы, в том числе целлюлозные и целлюлозосодержащие, являются сложными гетерогенными (многокомпонентными и многофазными) системами, свойства которых определяются химическим строением компонентов, характером и интенсивностью взаимодействия между ними, а также микро- и макроструктурой материала. Одним из путей регулирования этих характеристик и, как следствие, направленного изменения свойств целлюлозосодержащих композиционных материалов, является использование в качестве модифицирующего компонента наноразмерных элементов целлюлозы.

Характерными свойствами использования НЦ является высокая механическая прочность, сопоставимая с прочностью углеродных нанотрубок, и способность образовывать 2- и 3-мерные армирующие сетки с химическими связями в составе нанокомпозиционных материалов.

Области применения наночастиц целлюлозы различного типа определяются не только высокой прочностью нанофибрилл и нанокристаллитов, но и такими характеристиками, как высокая химическая чистота, биосовместимость, развитая поверхность, высокая адсорбционная способность, нерастворимость, неволокнистая структура, отсутствие побочного действия на организм.

На основе природных целлюлозных волокон в результате различных воздействий (обработки химическими реагентами, высоких сдвиговых напряжений, ультразвукового и ферментативного воздействия и др.) могут быть получены нанодисперсные системы, содержащие частицы длиной 100–2000 нм и диаметром 5–70 нм. Размеры частиц зависят от происхождения, способов обработки и диспергирования целлюлозосодержащего компонента.

Для армирования полимерных композиционных материалов используются целлюлозные наноструктурные элементы различных типов – целлюлозные наносферы, нанофибриллярная (НФЦ) и нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ). В целлюлозно-бумажной промышленности наноцеллюлозу используют для повышения физико-механических показателей волокнистых материалов (бумаги, картона).

Введение в бумажную массу порядка 0,5–2,5% НКЦ путем обработки волокнистого слоя гелем НКЦ с дальнейшим прессованием и сушкой способствует увеличению содержания ОН-групп, способных к образованию дополнительных водородных связей. Последние, в свою очередь, придают повышенную прочность волокнистому слою, что существенно увеличивает такие физико-механические показатели готовой продукции, как сопротивление раздиранию, продавливанию, разрывная длина, которые возрастают на 20%, 10% и 15% соответственно.

Влияние содержания наноцеллюлозы на обезвоживание бумажной массы в процессе формования в сеточной части.

При работе бумагоделательной машины основными критериями, определяющими качество готовой продукции, являются как свойства полуфабрикатов, из которых изготавливается бумага, так и свойства и качество применяемых вспомогательных химических веществ (проклеивающие, ретенционные, и др. добавки).

От качества применяемых компонентов композиции бумажной массы при формовании во многом зависит ее обезвоживающая способность.

Введение наноцеллюлозы в композицию бумажной массы улучшает ее обезвоживание, что коррелируется с проведенными исследованиями и опытными работами по определению сухости бумажного полотна и его влагопрочности.

Влияние наноцеллюлозы в композиции печатной бумаги на ее упруго-пластические свойства

Упруго-пластические свойства волокнистых материалов и изготовленной из них бумаги определяют потребительские качества изготовляемых из нее изделий.

Качество печати определяется в основном степенью контакта между печатной формой и поверхностью бумаги. Чем выше способность бумаги сжиматься под натиском печатной формы, тем полнее контакт между бумагой и печатной краской. Степень деформации бумаги по ее толщине зависит как от упруго-пластических свойств бумаги, так и от применяемого при печати удельного давления, различного в зависимости от вида печати.

Определение упруго-пластических свойств бумаги, предназначенной для различных видов печати, важно для характеристики ее печатных свойств, где под упруго-пластическими свойствами подра-зумевается способность бумаги к обратимым и необратимым деформациям как при ее сжатии, так и при растяжении. На различных этапах технологического процесса при печати бумага испытывает разные по величине и характеру деформации: на сжатие, растяжение, изгиб.
 
Влияние температуры сушки на механические свойства бумаги в зависимости от количества наноцеллюлозы и порядка введения компонентов в композицию бумажной массы

В процессе сушки на бумагоделательной машине не только обезвоживается бумажное полотно, но и одновременно происходит дальнейшее его уплотнение и сближение волокон, при сближении волокон между свободными гидроксильными группами устанавливаются водородные связи, а в бумажном листе образуются межволоконные связи.

Введение НЦ в композицию упаковочных видов бумаги и картона из 100% макулатуры приводит к повышению водоудерживающей способности волокнистой суспензии. Это может быть использовано для направленного регулирования свойств бумажной массы перед подачей на формующую часть БДМ (КДМ).

Введение гидрогеля НЦ в состав бумажной массы способствует удержанию мелкого волокна. Это обеспечит содержание взвещенных веществ в подсеточной воде и снижение нагрузки на локальные очистные сооружения осветления оборотной воды и значительно исключит возврат «мертвого» волокна в поток бумагоделательного производства.

Исходя из этого, можно сделать обоснование, что использование НЦ даст в перспективе достаточный эффект по ряду направлений. 

Вывод

На основании исследованных даных можно говорить о том, что мировой рынок наноцеллюлозы ожидает рост в среднем на 19,5% к 2022 году. Нано-фибриллированная целлюлоза заняла более 40% рынка в 2015 году, далее идет сегмент нанокристаллической целлюлозы. Наибольшим спросом пользовалась нанокристаллическая целлюлоза в упаковочной промышленности.

Стоит сказать, что сильные экономики, такие как Европа и Северная Америка, будут активно развивать этот рынок.