Вплив частинок целюлози на хімічну стійкість, механічні та термічні властивості епоксидних композитів

  • N. V. Sigareva Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйко Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, м. Київ, 03164, Україна http://orcid.org/0000-0002-7196-6115
  • V. A. Barbash Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, м. Київ, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-7933-6038
  • O. V. Yashchenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, м. Київ, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0003-3716-8707
  • S. V. Shulga Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйко Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, м. Київ, 03164, Україна https://orcid.org/0000-0002-9508-9110
  • D. L. Starokadomsky Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйко Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, м. Київ, 03164, Україна https://orcid.org/0000-0001-7361-663X
  • B. M. Gorelov Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйко Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, м. Київ, 03164, Україна https://orcid.org/0000-0002-1211-0579
Ключові слова: епоксикомпозит, мікроцелюлоза, наноцелюлоза, синтез, механічні параметри, термічні параметри, хімічна стійкість

Анотація

Актуальність: Технологічні розробки для виробництва наноцелюлози з дешевших рослинних матеріалів у порівнянні з деревиною, зокрема, сільськогосподарськими відходами, є актуальним завданням сучасної нанобіофізики. Відкриття можливості розширення функціональних характеристик матеріалів у композиціях з модифікованими частинками целюлози по суті стимулювало інтерес дослідників до целюлозних композитів. Модифікація поверхні частинок целюлози функціональними матеріалами, такими як барвники, оксиди металів, кремній, дозволяє застосовувати композити з модифікованою целюлозою в різних областях сучасної промисловості. Істотне поліпшення експлуатаційних параметрів функціоналізованих частинок целюлози можна отримати, використовуючи їх в полімерах в якості наповнювачів. Прикладом гібридних біокомпозитів є вивчені у даній роботі композити епоксидної смоли з частинками модифікованої та немодифікованої целюлози. Міжфазна взаємодія частинок наповнювача з епоксидною матрицею, їх концентрація та дисперсність можуть змінювати фізико-хімічні властивості біополімеру та функціональні параметри біокомпозитів. Дослідження впливу зовнішніх чинників на фізико-хімічні властивості біосистем на основі епоксидної смоли та їх вплив на експлуатаційні параметри є актуальною проблемою сучасного матеріалознавства.

Мета роботи: розробка ефективного синтезу наноцелюлози з рослинних матеріалів та проведення функціоналізації поверхні мікро- та наноцелюлозних частинок клатрохелатом заліза (ΙΙ), отримання біокомпозицій епоксидної смоли з вихідною та функціоналізованою мікро та наноцелюлозою, дослідження морфології, хімічної стійкості, механічних та термічних властивостей епоксидних композитів з мікро- та наночастинками целюлози.

Матеріали та методи. Об'єктами дослідження були композити епоксидної смоли Eposir-7120 з поліетиленполіаміновим затверджувачем “PEPA” у співвідношенні 6,2:1 та 10% мікро- та наночастинок целюлози. Мікроцелюлоза, отримана з деревини, була комерційним продуктом. Наноцелюлоза синтезована з органосольвентної целюлози, отриманої зі стебел Miscanthus x giganteus. Модифікацію поверхні мікро- та наноцелюлози проводили барвником —клатрохелатомзаліза (ΙΙ). Питому поверхню частинок целюлози визначали за допомогою низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту за методом Брунауера-Еммета-Теллера. Механічні параметри визначали за допомогою універсальних машин Shopper та UMM-10. Тепловий аналіз провели за допомогою деріватографа Q1500. Набухання досліджували гравіметричним методом.

Результати. Визначено модуль пружності E, міцність на стиск σ та термогравіметричні параметри. Показано, що в композитах з мікро- та наноцелюлозою E підвищується на 7,0–12,2%, а σ збільшується на 9,1% для композитів з мікрочастинками целюлози. Наповнення смоли наночастинками целюлози та модифікованої мікроцелюлози не впливає на значення σ композитів. Термічна стабільність епоксидного полімеру (310°C) знижується після наповнення мікро- та наноцелюлозою до 290 та 300°C відповідно. Хімічна стійкість епоксикомпозитів з мікро- та наноцелюлозою до 20%-ї азотної кислоти знижується. У нейтральному середовищі процес набухання епоксикомпозитів характеризується швидкою сорбцією до насичення 15-20% ацетоном за 36 годин.

Висновки. Таким чином, розроблено метод синтезу наноцелюлози з рослинних матеріалів та проведена функціоналізація її поверхні клатрохелатом заліза (ΙΙ). Світлова реакція адсорбованого барвника виявлена у видимому спектральному діапазоні. Отримані композити епоксидної смоли з 10% мікро- та наноцелюлози. Вивчено вплив наповнення мікро- та наноцелюлозою на модуль пружності, міцність на стиск, термічну стійкість епоксикомпозитів. Процеси набухання відбуваються аналогічно у композитах з мікро- та наноцелюлозою.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Klemm D, Kramer F, Moritz S, Lindström T, Ankerfors M, Gray D, Dorris A. Nanocellulose: a new family of nature-based materials. Angew Chem. Int. Ed. 2011;50:5438–5466. https://doi.org/10.1002/anie.201001273

Dai L, Cheng T, Duan C et al. 3D printing using plant-derived cellulose and its derivatives: A review. Carbohydr. Polym. 2019;203:71−86. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.09.027

Sharif Hossain А, Wan Mohtar W, Veettil VN. Bioethanol production from fruit biomass as bio-antiseptic and bio-antifermenter. Journal of Applied Sciences, 2019,19:311-318. https://doi.org/10.3923/jas.2019.311.318

Nogi M, Iwamoto S, Nakagaito AN, Yono H. Optically transparent nanofiber paper. Adv Mater 2009;21:1595–1598. https://doi.org/10.1002/adma.200803174

Cruz J, Fangueiro R. Surface modification of natural fibers: A review. Procedia Engineering. 2016;155:285–288. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.030

Thakur VK, Thakur MK. Chemical functionalization of carbon nanomaterials. Chemistry and applications. CRC Press. 2015; 1101 p.https://doi.org/10.1201/b18724

Panaitescu DM, Frone AN, Ghiurea M, Spataru CI, Radovici C, Iorga MD. Properties of polymer composites with cellulose microfibrils. In book “Advances in composites materials — ecodesign and analysis” Ch.5. 2011; P. 103-122. ISBN 978-953-307-150-3

Poveda, RL, Gupta N. Carbon nano fiber reinforced polymer composites. Springer Briefsin Materials. 2016; 98. https://doi.org/10.1007/978-3-319-23787-9

Feng L, Xie N, Zhong J. Carbon nanofibers and their composites: A review. Materials Synthesizing, Properties and Applications. 2014;7:3919–3945.https://doi.org/10.3390/ma7053919

Thiemann S, Sachnov SJ, Pettersson F, Bollström R, Österbacka R, Wasserscheid P, Zaumseil J. Cellulose-based ionogels for paper electronics. Adv. Func. Mater. 2014;24:625–634. https://doi.org/10.1002/adfm.201302026

Gao K, Shao Z, Li J, Wang X, Peng X, Wang W, Wang F. Cellulose nanofiber-graphene all solid-state flexible supercapacitors. J MaterChem A 2013;1:63–67.https://doi.org/10.1039/C2TA00386D

Burrs SL, Bhargava M, Sidhu R, Kiernan-Lewis J, Gomes C, Claussen JC, McLamore ES. A paper based graphene-nanocauliflower hybrid composite for point of care biosensing. Biosens Bioelectron. 2016;85:479–487. https://doi: 10.1016/j.bios.2016.05.037

AbdulKhalil HP, Davoudpour Y, Nazuruyl Islam M, Asniza M, Sudesh K, Rudi Dungani, Jawaid M. Production and modification of nanofibrillated cellulose using various mechanical processes: a review. Carbohydr. Polym. 2014;99:649–665. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.08.069

Barbash VA, Yaschenko OV, Alushkin SV, Kondratyuk AS, Posudievsky OY, Koshechko VG. The effect of mechanochemical treatment of the cellulose on characteristics of nanocellulose films. Nanoscale Res. Lett. 2016;11:410. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1632-1

Paul B Filson, Benjamin E Dawson-Andoh, Diane Schwegler-Berry. Enzymatic-mediated production of cellulose nanocrystals from recycled pulp. Green Chemistry. 2009;11(11):1808–1814. https://doi.org/10.1039/B915746H

Spence KL, Venditti RA, Rojas OJ, Habibi Y, Pawlak JJ. A comparative study of energy consumption and physical properties of microfibrillated cellulose produced by different processing methods. Cellulose. 2011;18(4):1097–1111. https://doi.org/10.1007/s10570-011-9533-z

Sánchez R, Espinosaa E, Domínguez-Roblesa J, Mauricio Loaiza J, Rodrígueza A. Isolation and characterization of lignocellulose nanofibers from different wheat straw pulps. Int J of Biological Macromolecules. 2016;92:1025–1033. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.08.019

Kunaver M, Anžlovar A, Žagar E. The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. CarbohydrPolym. 2016;148:251–258. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.04.076

Borand NM, Karaosmanoğlu F. Effects of organosolv pretreatment conditions for lignocellulosic biomass in biorefinery applications: A review. Journal of Renewable and Sustainable Energy 2018;10:033104. https://doi.org/10.1063/1.5025876

Correia VC, dos Santos V, Sain M, Santos SF, Leão AL, SavastanoHJr. Grinding process for the production of nanofibrillated cellulose based on unbleached and bleached bamboo organosolv pulp. Cellulose. 2016;23:2971–2987. https://doi.org/10.1007/s10570-016-0996-9

Paschoal GB, Muller CMO, Carvalho GM, Tischer CA, Mali S. Isolation and characterization of nanofibrillated cellulose from oat hulls. Quim Nova. 2015;38(4):478–482. https://doi.org/10.5935/0100-4042.20150029

Barbash VA, Yaschenko OV and OM Shniruk. Preparation and Properties of Nanocellulose from Organosolv Straw Pulp. Nanoscale Res. Lett. 2017;12:241−249. https://doi.org/10.1186/s11671-017-2001-4

TAPPI Test Methods. Atlanta, Georgia, Tappi Press, 2004.

Voloshin YZ, Kostromina NA, Krämer R. Clathrochelates: synthesis, structure and properties. Amsterdam: Elsevier Science. 2002. 432 p. ISBN 9780444512239.

Ge Zhu and Ning Lin. SurfaceChemistryofNanocellulose. In: Huang J, Dufresne A, Lin N, editors. Nanocellulose: from fundamentals to advanced materials. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA; 2019:15–153. https://doi.org/10.1002/9783527807437.ch5

Chakrabarty A,Teramoto Y. Recent advances in nanocellulose composites with polymers: A guide for choosing partners and how to incorporate them. Polymers. 2018;10(5):517–522. https://doi.org/10.3390/polym10050517

Pei-Yu Kuo, Luizmar de Assis Barros, Ning Yan, Mohini Sain, Yan Qing, Yiqiang Wu. Nanocellulose composites with enhanced interfacial compatibility and mechanical properties using a hybrid-toughened epoxy matrix. Carbohydrate Polymers. 2017;177:249–257.https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.08.091

Jabbar A, Militký J,Wiener J, Kale Bandu M, Ali U, Rwawiire S. Nanocellulose coated woven jute/green epoxy composites: Characterization of mechanical and dynamic mechanical behavior. Composite Structures. 2016; 161:340–349. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.11.062

Grassie N, Scott G. Polymer degradation and Stabilization. Cambridge University Press. New York.1988. 222.

Gorelov B, Gorb A, Korotchenkov O, Nadtochiy A, Polovina O, Sigareva N. Impact of titanium and silica/titanium and silica/titanium fumed oxide nanofillers on the elastic properties and thermal decomposition of a polyester resin. Journal of Applied Polymer Science. 2015;132(22):42010–42020. https://doi.org/10.1002/app.42010

Опубліковано
2020-07-01
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Sigareva, N., Barbash, V., Yashchenko, O., Shulga, S., Starokadomsky, D., & Gorelov, B. (2020). Вплив частинок целюлози на хімічну стійкість, механічні та термічні властивості епоксидних композитів. Біофізичний вісник, (43), 57-70. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/14650
Розділ
Біофізика складних систем