Vibhore Kumar Rastogi

1 Catedră de inginerie a materialelor bazate pe bio, Facultatea de mediu și resurse naturale, Institutul de cercetare pentru studii avansate din Freiburg (FRIAS), Universitatea din Freiburg, Werthmannstrasse 6, 79085 Freiburg, Germania; E-mail: [email protected]

filmelor

2 Școala postuniversitară Hermann Staudinger, Universitatea din Freiburg, Hebelstrasse 27, 79104 Freiburg, Germania

Dirk Stanssens

3 Topchim NV, Nijverheidsstraat 98, 2160 Wommelgem, Belgia; E-mail: [email protected]

Pieter Samyn

1 Catedră de inginerie a materialelor bazate pe bio, Facultatea de mediu și resurse naturale, Institutul de cercetare pentru studii avansate din Freiburg (FRIAS), Universitatea din Freiburg, Werthmannstrasse 6, 79085 Freiburg, Germania; E-mail: [email protected]

Date asociate

Abstract

Deși filmele de celuloză microfibrilată (MFC) au proprietăți bune de barieră împotriva oxigenului datorită structurii sale fine a rețelei, proprietățile se deteriorează puternic după absorbția apei. În această lucrare, a fost urmată o nouă abordare pentru reglarea activă a rezistenței la apă a unei rețele de fibre MFC prin includerea nanoparticulelor organice dispersate cu ceară de plante încapsulată. Suspensiile de celuloză modificate au fost turnate în pelicule și ulterior au fost întărite la 40 până la 220 ° C. Ca atare, unghiurile statice de contact cu apa pot fi reglate în mod specific de la 120 la 150 ° prin selectarea temperaturii de întărire în raport cu temperaturile de tranziție intrinseci ale pulpei modificate, determinate de analiza termică. Apariția ceară încapsulată după întărire a fost urmată de o combinație de analiză morfologică, spectroscopie în infraroșu și cartografiere Raman, care arată mecanisme echilibrate de eliberare progresivă și migrare a ceară în rețeaua de fibre care controlează proprietățile suprafeței și unghiurile de contact cu apa. În cele din urmă, apariția nanoparticulelor acoperite cu un strat subțire de ceară după eliberarea termică completă oferă cea mai mare hidrofobitate.

1. Introducere

Celuloza microfibrilată (MFC) posedă numeroase proprietăți interesante atribuite formării unei rețele fibroase dense cu suprafață ridicată și raport de aspect, rigiditate ridicată și rezistență la tracțiune și bune proprietăți de barieră la oxigen. În paralel cu netoxicitatea, biodegradabilitatea și originea sa din diverse resurse regenerabile sau materiale secundare (de exemplu, fibre fine de hârtie sau deșeuri agricole), MCF a devenit un candidat adecvat ca material natural de întărire pentru bio-compozite [1 ] sau în aplicații de ambalare, utilizate ca folie turnată de sine stătătoare [2] sau aditiv pentru acoperire [3]. Cu toate acestea, exploatarea completă a acestor proprietăți este întotdeauna mascată de hidrofilitatea puternică care duce la o afinitate ridicată a fibrelor la fibre și la o aderență sau dispersie slabă într-o matrice nepolară. Deteriorarea proprietăților barierei de oxigen [4] este o altă problemă majoră asociată cu natura hidrofilă a celulozei, care o face sensibilă la adsorbția apei sau a umezelii, ducând astfel la slăbirea și umflarea rețelei de celuloză. În consecință, eforturile majore sunt, în general, mult înainte de a îmbunătăți rezistența la apă a fibrelor de hârtie unicelulosice prin modificări hidrofobe [5].

Majoritatea modificărilor de suprafață citate pentru celuloză urmează căi chimice tradiționale în care grupările hidroxil sunt modificate prin reacții de „altoire” și „grefare-către” [6,7]. Odată cu apariția nanotehnologiei, orizonturile către ingineria interfeței noi încep să joace un rol critic [8]. În mod special pentru asigurarea proprietăților (super) hidrofobe, abordările nano-tehnice sunt aplicate pentru a conferi compoziția chimică a suprafeței și rugozitatea suprafeței pe scară dublă [9]. Hidrofobizarea suprafețelor de celuloză prin decorarea nanoparticulelor (adică absorbția fizică sau chimică) a fost realizată în lucrările noastre anterioare cu nanoparticule de stiren maleimidă [10]. În mod similar, suprafețele modelului de celuloză au fost modificate prin adsorbția particulelor de latex polimeric cationic [11]. Abordările nanotehnologice permit, de asemenea, reglarea „activă” a funcționalităților suprafeței hârtiei și/sau fibrelor de celuloză după depunerea unui material de acoperire de bază. Ca atare, o nouă gamă de materiale funcționale inteligente receptive poate fi creată pentru a regla funcționalitățile suprafeței fibrelor cu celuloză unică sau a rețelelor de fibre.

În raportul nostru anterior [23] am dezvoltat o nouă abordare pentru hidrofobizarea MFC-urilor prin depunerea de nanoparticule hibride cu nanoparticule de ceară de plante încapsulate. Combinând mecanismele menționate mai sus, lucrările actuale sunt în continuarea lucrărilor noastre anterioare pentru a determina mecanismul de bază responsabil pentru reglarea sistematică a umectabilității filmelor cu MFC modificat la suprafață, prin eliberarea termică controlată a cerii de plante încapsulate care a fost a priori stocată în Film MFC. Ca atare, un singur proces chimic poate fi utilizat pentru modificarea hidrofobă a MFC și proprietățile hidrofuge necesare pot fi reglate „activ” ulterior, la încălzire în funcție de temperatură și timp în funcție de proprietățile necesare ale utilizatorului. Se va arăta că unghiurile de contact cu apa obținute depind de efectele combinate de eliberare și migrare ale agentului hidrofob, ducând la hidrofobicitate maximă.

2. Rezultate și discuții

2.1. Analiza termică a fibrelor MFC modificate

După modificarea chimică a fibrelor de celuloză MFC, s-a asigurat includerea nanoparticulelor de poli (stiren-co-maleimidă) (SMI) și ceară într-o dispersie omogenă de MFC + SMI/ceară și depunerea favorabilă a nanoparticulelor pe suprafețele fibrelor (a se vedea figura 1 pentru schema de fabricație) în paralel cu evaluările preliminare anterioare [23]. Pentru a înțelege mai bine stabilitatea termică și comportamentul filmelor MFC modificate, s-a făcut acum o analiză termică suplimentară asupra fibrelor de pastă MFC native și modificate după uscare prin congelare, în timp ce SMP pure și hibridele SMP/ceară nanoparticule fără fibre au fost luate ca referință materiale. Proprietățile termice ale acestor materiale au fost analizate prin analiză termogravimetrică (TGA), calorimetrie cu scanare diferențială (DSC) și analiză mecanică dinamică (DMA), așa cum s-a discutat mai jos. Temperaturile de tranziție intrinsecă observate ale fibrelor modificate vor avea influențe importante în controlul suplimentar al eliberării termice a cerii în filmele MFC turnate, așa cum este discutat în paragraful următor.