Лаборатория лесной продукции Лесной службы США инвестировали 1,7 млн. долл. США в опытный завод по производству нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) из древесных отходов и материалов , таких как древесная мука, щепа и опилки. НКЦ сильнее и жестче, чем кевлар или углеродных волокон, так что помещение НКЦ в композитных материалов приводит к высокой прочности и низкой массы изделий. Кроме того, стоимость НКЦ составляет менее десяти процентов от стоимости волокна кевлар и углеродного волокна. Эти качества привлекли внимание военных для использования в легкой броне и баллистических стеклах (НКЦ прозрачен), а также компаний в области автомобилестроения, авиастроения, электроники, потребительских товаров и медицинской промышленности.
Целлюлоза является наиболее распространенным биологическим полимером на планете, и она находится в клеточных стенках растительной и бактериальных клетках. Состоит из длинных цепочек молекул глюкозы, целлюлозные волокна расположены в запутанную сеть, которая обеспечивает как структура и поддержка растительных клеток. Основным промышленным источником для целлюлозы является древесина, которая по существу является сетью из целлюлозных волокон, скрепленных матрицей лигнина, другим природным полимером, который легко деградирует и удаляется.
Целлюлоза производится в различных процессах, все из которых разрушают и удаляют лигнин, оставляя суспензию целлюлозных волокон в воде. Типичный размеры древесной целлюлозы только десятки микрон в ширину и около миллиметра в длину.
Целлюлоза в древесине, когда сухая, имеет консистенцию пух и пыли, при этом целлюлоза имеет механические свойства, напоминающие мокрое бумажное полотенце. Не то, что вы могли бы ожидать от одного из самых прочных материалов, известных человеку. В конце концов, бумага производится из целлюлозы древесной массы, которая не демонстрирует невероятную силу и жесткость.
Дальнейшая обработка разрушает волокна целлюлозы превращая их в нанофибриллы, которые примерно в тысячу раз меньше, чем волокна. В нанофибриллах, целлюлоза имеет форму длинных нитей молекул глюкозы, которые удерживаются вместе с помощью водородных связей. Хотя не "реальные" химических связей, водородных связей между молекулами целлюлозы являются достаточно сильными, добавив к прочности и жесткости НКЦ.
В этих областей нанофибрилл, которые очень хорошо упорядочены, в котором целлюлозных цепей плотно упакованы параллельно друг с другом. Как правило, некоторые из этих кристаллических областей появляться по одной нанофибрилл, и отделены друг от аморфных областей, которые не проявляют большой степенью упорядоченности. НКЦ затем производится путем растворением аморфных областей с помощью сильной кислоты.
В настоящее время выход для разделения НКЦ из древесной массы составляет около 30 процентов. Есть перспективы для мелких улучшений, но ограничивающим фактором является отношение кристаллического в аморфное целлюлозы в исходном материале. Ближайшей целью для стоимости НКЦ является $ 10 за килограмм, но крупное производство должно снизить ее до одного доллара за килограмм.
НКЦ от древесной массы и имеет, как правило, в длину доли микрона и имеют квадратное сечение несколько нанометров. Их объемная плотность находится на низком уровне 1,6 г/куб.см, но они обладают невероятной силой. Модуль упругости около 150 ГПа, а прочность на разрыв около 10 ГПа.
Сравнительные характеристики материалов:
Материал ........................... Модуль упругости ................ Прочность на разрыв CNC ...................................... 150 ГПа ......... .................... 7,5 ГПа Кевлар 49 .............................. 125 ГПа ................ ............. 3,5 ГПа Углеродные волокна ....................... 150 ГПа ..................... ........ 3,5 ГПа Углеродные нанотрубки .................... 300 ГПа .............................. 20 ГПа Нержавеющая сталь ........................ 200 ГПа .............................. 0,5 ГПа Дуб ...................................... 10 ГПа ..... ........................ 0,1 ГПа
Существует армирующий материал, который сильнее нанокристаллической целлюлозы, углеродные нанотрубки, но он дороже примерно в 100 раз. Нержавеющая сталь входит исключительно в сравнении с традиционными материалами. Относительно очень низкой прочности и модуля дуба указывает на то, насколько структура композиционного материала может привести к снижению механических свойств армирующих материалов.
Как и большинство вещей, нанокристаллическая целлюлоза не является идеальным материалом. Наибольшее их Немезида является вода. Целлюлоза не растворяется в воде, а также не деполимеризуют. Эфирных связей между единиц глюкозы молекулы целлюлозы не так легко распадаются, требующих сильных кислот чтобы реакции расщепления.
Водородные связи между молекулами целлюлозы также слишком сильны в совокупности должны быть нарушен посягает молекул воды. Действительно, кристаллической целлюлозы требуется обработка водой при 320 ° C и 250 атмосфер давления до достаточно встраивается воды между молекулами целлюлозы, чтобы заставить их стать аморфной структурой. Целлюлозы по-прежнему не растворяется, только переходит от неупорядоченной структуры до почти идеальный укладки в кристаллической структуре.
Но целлюлозы содержит гидроксил (ОН) групп, которые находятся сбоку вдоль молекулы целлюлозы. Они могут образовывать водородные связи с молекулами воды, в результате чего целлюлозы быть гидрофильные (капля воды имеет тенденцию распространяться по поверхности целлюлозы). Учитывая достаточное количество воды, целлюлоза быстро набухает, почти вдвое больше, чем объем в сухом состоянии.
Набухшая целлюлоза представляет большое количество нанодефекты в структуре целлюлозы. Хотя НКЦ мало набухает, вода может проникнуть в аморфную целлюлозу с легкостью, отодвигая друг от друга отдельные молекулы целлюлозы в этих областях. Кроме того, связи между соседними НКЦ будут нарушены, тем самым значительно снизиться прочность любого материала, армированного НКЦ. Хуже того, вода может легко перемещаться в НКЦ, тем самым позволяя воде проникать далеко в композит, содержащий НКЦ.
Есть несколько подходов, чтобы сделать НКЦ композиционных материалов жизнеспособным выбором для применения реального мира.
Самый простой, но самый ограниченный, заключается в выборе применений, в которых композитных не будет подвергаться воздействию воды.
Другой состоит в изменении химии поверхности целлюлозы, так что она становится гидрофобным, или водоотталкивающими. Это достаточно легко сделать, но, скорее всего, существенно ухудшит механические свойства измененной НКЦ.
Третий подход заключается в выборе матрицы материала, которая является гидрофобной и, предпочтительно, которая образует гидрофобные взаимодействия с НКЦ. Хотя и не особенно трудно с чисто химической точки зрения, есть практические трудности, связь между гидрофобным и гидрофильным материалами, как правило, слабы.
| 
