从木质纤维的制备和表征纤维素Nanofibril电影及其热塑性聚碳酸酯复合材料

文摘

本研究的目的是开发cellulose-nanofibril-film-reinforced聚碳酸酯复合材料的压缩成型。纳米纤维被机械去纤颤状态,准备从木浆纤维和纤维直径分布在1 - 100纳米的范围。Nanofibre电影是准备从Nanofibre悬浊液和特征的强度性能,结晶度和热性能。纳米纤维的强度和模量的电影准备240 MPa和11 GPa,分别。热表的属性显示处理纤维床单在高温下的适用性。拉伸性能的电影受到composite-processing条件证明了纤维的热稳定性电影压缩成型过程中。不同纤维负载的纳米复合材料是由压模纳米纤维床单与不同厚度在205°C下聚碳酸酯板之间的压力。聚碳酸酯的拉伸模量和强度与纤维的掺入增加。热塑性塑料的强度与纤维的10%增加了24%,增加了30%与18%的纤维。拉伸模量的聚碳酸酯证明显著增强(大约100%)。

1。介绍

纤维素是自然界中最丰富的聚合物,是由线性聚合物链β1、4-linked葡萄糖残留物和纤维素(植物生物量是最富有的资源1- - - - - -3]。利用纤维素的复合材料主要是利用其高强度和杨氏模量来自纤维素分子的结晶性质,进而氢键的结果扩展沿分子链(2]。许多研究人员报道了一代nanocellulose从各种资源和他们的应用程序或纤维素微纤维在复合材料科学与工程3- - - - - -27]。增援的纤维素纤维复合材料的开发已经开始十多年前(4]。纤维素纤维的利用率的主要原因(i)其高的比强度和模量比其他工程材料(2,4和(2)加强潜力5]。面临的主要挑战与nanocellulose复合制备的分散不匀的聚合物基质的聚集产生的纤维氢键在纤维素纤维。报道最多的作品使用亲水聚合物改善分散,和大量的研究在这个方向改善色散和利用的潜力nanocellulose [14- - - - - -25]。一些尝试利用这些纤维素纤维与疏水性热塑性塑料被报道(4,26,27]。

我们的研究目标是开发高性能材料使用高强度微和nanocellulosic纤维工业应用。木材细胞壁由宽3 - 4纳米纤维素的聚合物微/纳米纤维(3),这些纤维嵌入多层结构在半纤维素和木质素的网络。代的纺锤从细胞壁网络需要化学和/或机械处理。许多分离迄今已报告的方法包括化学处理进一步生成全纤维素和机械剪切通过cryocrushing,使用高压均质机均质化,microfluidizer,和/或磨床,声波降解法和湿磨4,7,9,11- - - - - -13,28,29日]。在本文中,我们展示的结果wood-fibre-based纤维素微纤维和他们的电影发展与聚碳酸酯的热塑性复合材料表。我们使用一个商业磨床定义了特殊的石头来生成微-纳米纤维。纳米纤维素纤维纸浆纤维的个性化的剪切力产生的磨石头。商用木浆纤维直接用于本研究磨床治疗产生纳米纤维。复合材料是准备使用压缩成型技术与纳米纤维电影和聚碳酸酯床单和特征。

2。实验

2.1。材料

纤维用于制备纳米纤维和电影从Domtar漂白硫酸盐纸浆纤维,加拿大。聚碳酸酯薄膜用于本研究从Mcmaster-Carr,加拿大。

2.2。制备Nanofibre电影

木浆纤维除纤颤使用nanofibre设施多伦多大学的生成nanofibre停业。纤维制成2%的悬浮在水和除纤颤通过商业磨床(益集团、日本)。去纤颤状态后,适量的悬架与水稀释,vacuum-filtered使用膜过滤产生的薄膜厚度大约50微米。电影被按下删除水在压力下15分钟然后干40°C 48 h。电影被削减使用ASTM dre类型在100°C E然后干2 h,以确保完整的干燥。样品的厚度测量的平均5拉伸试样的测量。

2.3。表征纤维和电影

2.3.1。微观研究和直径分布

扫描电镜(显微镜模型日立s - 2500)被用来检查木材纤维前处理成纳米纤维的微观结构。扫描电镜检查之前,样本sputter-coated用一层薄薄的金,以避免静电电荷在考试。利用透射电子显微镜(TEM)研究纳米纤维生成的纤维直径分布。一滴稀释nanofibre悬浮沉积在碳涂层网格和被允许干前分析。纤维直径测量的帮助下一个图像处理分析程序称为UTHSCA down-loaded从图像工具http://ddsdx.uthscsa.edu/dig/itdesc.html。图像的扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行了加载到软件和分析。软件校准使用的规模尺度酒吧在每个SEM和TEM图像。从每个样本200纤维的直径测量并记录得到纤维的直径分布。

2.3.2。x射线衍射和晶体研究

纤维素纤维的结晶度电影去颤是检查之前和之后使用一个力量中心——AXS D8发现衍射系统,和其他地方的方法解释11]。

2.4。制备Nanofibre-Polycarbonate复合膜

由压缩Nanocellulose-polycarbonate复合膜的成型方法。纳米膜之间放置在钢板之间的聚碳酸酯板和压在210°C的温度1 MPa的压力下1分钟,然后5吨的载荷下,持续30秒。复合冷却到环境温度压力下,在大气条件下24小时后测试。nano电影用于制造复合材料与isocyanate-based聚合物,表面处理和复合材料包含约1.5 wt %的表面改性剂。

2.5。纤维素膜的机械性能和复合

nanofibre电影和nanofiber-polycarbonate复合材料的拉伸性能测定在室温下使用ASTM E型拉伸标本。英斯特朗模型标准的电脑测试机(20)使用依照ASTM d - 638程序的负载细胞10 kN,十字头时速2.5毫米/分钟。为每组至少五个样品进行测试得到的平均价值。

3所示。结果与讨论

3.1。微观研究和直径分布

一个典型的扫描电子显微镜和透射电子显微照片的木浆纤维和纳米纤维是如图1和2。纤维的机械研磨导致去颤细胞壁的纤维素纤维是证明直径的纤维。木纤维的平均纤维宽度大大减少机械去颤。木浆纤维的纤维直径分布计算机械除颤前后从SEM和TEM图像,采用图像处理分析程序UTHSCSA图像工具,如图3。很明显从图的大小从微米纤维减少nanofibre水平后去颤。木纤维直径分布表明,近90%的纤维分布在10-40微米直径范围,占平均直径22微米的标准差9微米。很明显,几乎90%的木材纳米纤维剪切研磨操作后生成分布在1 - 100纳米的范围超过60%的纤维直径的范围内1-60几千纳米的纳米和长度。

3.2。纤维素的结晶度的电影

纤维素微纤维的结晶度来自纤维素分子之间的氢键,使纤维素分子的构象。据报道,在原生纤维素微晶的长度100 - 250 nm 3 - 10 nm的横截面。在植物细胞壁相信纤维素微晶彼此相互关联无序纤维素分子和半纤维素和木质素网络有关。纤维素纤维的结晶度高的源和退化的程度取决于纤维在化学和物理方法用于植物细胞壁的原纤维的分离(30.,31日]。

XRD的木浆纤维表和模式nanofibre表如图4。我是常见的各种植物纤维素,特点是定义良好的主要峰值为22.5 (2θ)和两个重叠的二次峰值为14.5和16.3 (2θ),这与水晶飞机1 0 1 11和0 0 2。没有纤维素结构的重排到另一个水晶形体观察去心脏纤颤时表明研磨的方法影响纸浆纤维无定形区域比结晶区。类似的研究报道wet-stirred媒体磨木浆纤维(29日]。

提出了从XRD方法量化结晶度利用山峰下的区域或曲线的最大值和最小值的高度高于基线(31日,32]。在本文中,我们使用最小值和最大值的方法对结晶度指数和结晶度的计算比率,即两种方式表达纤维素的结晶度和计算使用以下方程: 在哪里是22.5的高度⁰(2θ在基线和峰值19的高度吗⁰(2θ)最低底线之上。结晶度指数和结晶度比率计算使用上面的方程相似,和C.I. C.R.木材纤维纸的值是0.86和0.84,而那些nanofibre分别是0.90和0.89。木头和纳米纤维的结晶度索引值与对方表明结晶度不是影响机械过程生成的纳米纤维。纤维的结晶度指数高值表显示,纤维素的结晶性质的论文,预计这些纤维素的高强度的论文。

3.3。热性能

本研究的目的是为了处理nanofibre表从木材纤维与热塑性塑料复合材料在温度和压力下。在这种背景下,研究了木质纤维的热重量分析表了解这些表的降解特性。木质纤维的TGA曲线表和nanofibre表如图5。很明显的图的出现退化纤维床单远高于200°C,并出现降解温度越高表明改善了纤维的热稳定性比木质纤维素的纤维。这种增强稳定性可能是由于缺乏木质素和半纤维素与天然纤维相比,这表明这些纤维与热塑性塑料加工的适应性,即使有高熔点聚合物。此外,为了验证是否有热降解的纤维复合材料的加工过程中,发生nanofibre电影受到高温(185 - 225°C)和压力类似于复合材料的工艺条件。热处理样品的拉伸性能相比原纤维表。抗拉强度和模量的值的结果如图所示6。nanofibre表保留其强度和模量的条件下,复合处理(大约200°C, 2分钟)和压力之下,并注意到225°C以上的力量属性略微降低而用于复合制备的工艺条件。这表明本研究中使用的热压条件没有任何不利影响在电影的强度复合材料准备。

3.4。复合材料的拉伸性能

纳米纤维膜的拉伸性能测定,和电影的平均强度和模量是240 MPa±12 MPa和11 GPa±0.6的绩点,分别。复合材料是由压缩成型,通过将纳米表在聚碳酸酯表之间,压力和温度。不同的纤维在复合材料纤维负载通过不同厚度的纳米片做准备。图7显示了拉伸强度和模量的聚碳酸酯板和木nanofibre-polycarbonate复合材料具有不同纤维负载(10不同32 wt %)。图表明聚碳酸酯板的强度和模量增加的掺入纳米纤维。复合材料的抗拉强度增加多达20%的纤维含量,然后仍然是相同的纤维含量在28%左右,然后显示一个反向的趋势。这可能是由于穷人润湿纤维的聚碳酸酯由于表面积的增加纤维。矩阵的强度的百分比从26%上升到30%,通过融合一个纤维加载11 wt % 18 wt %。有一个显著增加复合材料的模量与强度。聚碳酸酯表模量增加约100%用大约12 wt %的nanofibrillated表。与模量不同,复合材料的极限强度是影响缺陷出现在复合材料中,这可能来自不同来源,如纳米片之间的附着力差、聚合物和不均匀的厚度表。这将是调查作为进一步研究的方向。这项研究的结果表明,强化能力可以利用亲水性纤维素纤维的增强疏水性热塑性塑料复合材料发展与改进的属性。

4所示。结论

纤维素纳米纤维是由机械去颤木浆纤维使用商业磨床,和床单都是由真空过滤稀溶液的纤维悬浮液。纤维膜为特征的强度、结晶度和热性能。nanofibre膜的强度和模量相当高,被发现是240 MPa和11 GPa,分别。结晶度的研究表明,没有退化机械研磨过程中纸浆纤维的结晶度。纤维的热性能表显示处理的适用性与热塑性塑料聚合物,和保留的强度和模量表明,本研究中使用的工艺条件使复合材料没有产生不利影响的属性表。

纤维素纳米复合材料通过压缩成型加工nanocellulose表与聚碳酸酯未遂。评价聚碳酸酯及其复合材料的强度特性显示,这一趋势表明改善nanofibre钢筋的抗拉强度和模量。PC的模量提高约100%通过加入约18%的纳米纤维,并增加30%是观察到的拉伸强度复合纤维相同的内容。

这项研究是初步尝试与改进发展nanofibre-reinforced热塑性复合材料特性,结果表明加强能力加强纤维素纳米纤维的疏水性热塑性复合材料。复合材料的详细研究,如微观结构评估、纳米纤维和聚合物之间的相互作用矩阵,和表面处理对的润湿特性的影响复合材料,将是未来研究的主题。

承认

作者要感谢金融支持绿色经济网络的天然纤维(NAFGEN)研究。

引用

1. f . a . l .出彩和b . e .杜松,植物细胞英国牛津布莱克韦尔科学出版物,1968。
2. k .田代和m .小林”理论评价的三维弹性常数原生和再生纤维素酶:氢键的作用,“聚合物,32卷,不。8,1516 - 1526年,1991页。视图:谷歌学术搜索
3. Stamm a . j .,木材和纤维素科学罗纳德,纽约,纽约,美国,1964年。
4. 杜福瑞斯s·j·伊奇霍恩说,a . m . Aranguren et al .,”点评:当前国际研究纤维素纳米纤维和纳米复合材料”材料科学杂志,45卷,不。1,1-33,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 洛杉矶生活,“纤维素基纳米复合材料”天然纤维、生物聚合物和Biocompositesa·k·莫汉蒂,m . Misra l . t . Drzal Eds。,pp. 807–832, CRC Press, Boca Raton, Fla, USA, 2005.视图:谷歌学术搜索
6. a . f . Turbak f·w·斯奈德和k·r·桑德伯格“Microfibrillated纤维素,一个新的celluloseproduct:性质,用途,和商业潜力,”应用聚合物科学杂志》上。应用聚合物研讨会37卷,第823 - 815页,1983年。视图:谷歌学术搜索
7. a . Chakraborty m .祈神保佑,m . Kortschot“纤维素微纤维:一种新颖的方法使用高剪切炼油和cryocrushing的准备,”Holzforschung卷,59号1,第107 - 102页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t·齐默尔曼·e·波尔,t·盖革,“纤维素纤维聚合物筋,”先进工程材料》第六卷,没有。9日,第761 - 754页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. t .谷口和k·冈microfibrillated天然纤维产生了新的电影。”聚合物国际卷,47号3、291 - 294年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. k·安倍、美国Iwamoto和h .矢野”获得纤维素纳米纤维均匀宽度的15 nm木头,“《生物高分子,8卷,不。10日,3276 - 3278年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. a . Alemdar和m .祈神保佑”,隔离和表征纳米纤维从农业residues-wheat稻草和大豆船体、”生物资源技术,卷99,不。6,1664 - 1671年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. Sreekumar和m .祈神保佑,”隔离microfibrils-an纤维素酶的方法,”生物资源,1卷,不。1、1 - 5,2006页。视图:谷歌学术搜索
13. 惠普赵、x问:冯和h .高,“超声波技术从大自然中提取纳米纤维材料,”应用物理快报,卷90,不。7篇文章ID 073112 2页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 杜福瑞斯m n a角度和“增塑淀粉/ tunicin胡须纳米复合材料。2:机械行为,”大分子,34卷,不。9日,第2931 - 2921页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 答:博和m .祈神保佑,”nanofiber-reinforced纤维素复合材料的加工。”增强塑料和复合材料》杂志上,24卷,不。12日,第1268 - 1259页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a·p·马修,k . Oksman和m .祈神保佑“可生物降解复合材料的力学性能与聚乳酸(PLA)和微晶纤维素(MCC),“应用聚合物科学杂志》上,卷97,不。5,2014 - 2025年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. a . n . Nakagaito s Iwamoto h .矢野,“细菌纤维素:终极nano-scalar纤维素形态生产高强度的复合材料,”应用物理,卷80,不。1,第97 - 93页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . e . Malainine m . Mahrouz, a杜福瑞斯“热塑性纳米复合材料根据仙人掌属植物的纤维素微纤维ficus-indica薄壁组织细胞,”复合材料科学与技术,卷65,不。10日,1520 - 1526年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m .避难所和h .矢野”,基于细菌纤维素生产的透明纳米复合材料提供潜在的创新电子设备行业,“先进材料,20卷,第1852 - 1849页,2008年。视图:谷歌学术搜索
20. a . Chakraborty m .祈神保佑,m . Kortschot”加强潜在木头pulp-derived矩阵在PVA纤维制成,“Holzforschung,60卷,不。1,53-58,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. k . Oksman a·p·马修·d·邦德,i Kvien,“胡须纤维素/聚乳酸纳米复合材料的制造过程,”复合材料科学与技术,卷66,不。15日,第2784 - 2776页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. s . Iwamoto a . n . Nakagaito和h .矢野”Nano-fibrillation处理纸浆纤维的透明纳米复合材料,”应用物理,卷89,不。2、461 - 466年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a . Iwatake m .避难所,h .矢野,“纤维素nanofiber-reinforced聚乳酸,”复合材料科学与技术,卷68,不。9日,第2106 - 2103页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. t . j . Lu Wang和l . t . Drzal”microfibrillated纤维素聚乙烯醇复合材料的制备和性能,”复合材料部分,39卷,不。5,738 - 746年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. s . f . Souza a·l·里昂j . h . Cai c .吴m .祈神保佑,b . m . Cherian“Nanocellulose curava纤维和纳米复合材料,分子晶体和液体晶体卷。522年,42-52,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 王b和m .祈神保佑,“孤立的纳米纤维大豆源及其对合成聚合物的增强功能,“复合材料科学与技术,卷67,不。11 - 12,2521 - 2527年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. m·a·s·阿齐兹萨米尔,f . Alloin j . y .桑切斯和a .杜福瑞斯“纤维素纳米晶体增强聚(氧乙烯),”聚合物,45卷,不。12日,第4157 - 4149页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. a .博隔离可再生的纤维素纳米纤维饲料股票和块根作物,硕士论文,民国2004年。
29. h . Liimatainena j . Sirvio a . Haapalaa o . Hormib和j . Niinimakia”表征高度访问的纤维素微纤维湿搅拌所产生的媒体铣,”碳水化合物聚合物卷,83年,第2010 - 2005页,2011年。视图:谷歌学术搜索
30. j .布莱克威尔”效应的治疗涉及微观结构(纤维素)”纤维素和纤维素衍生品:m . Bikales和l·西格尔。,卷。5,pp. 39–50, Wiley-Interscience, New York, NY, USA, 1971.视图:谷歌学术搜索
31. h·a·芳娜和阿丹,”论文的特征x射线衍射(XRD):测量纤维素结晶度和矿物成分的确定,”法医科学学会杂志》上,23卷,不。4、313 - 321年,1983页。视图:谷歌学术搜索
32. l·西格尔,j·j·克里族,a·e·马丁Jr .)和c·m·康拉德“实证方法估算原生纤维素的结晶度使用x射线衍射仪,“纺织研究杂志,17卷,第596 - 585页,1947年。视图:谷歌学术搜索

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