Поверхностная обработка картона суспензиями наноцеллюлозы растительного и бактериального происхождения. С. 162–172

УДК

676.168

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-3-162-172

Аннотация

Исследованы порошковые целлюлозные материалы, а именно наноцеллюлоза из сырья растительного и бактериального происхождения. Для получения нанопрепаратов целлюлозы проводили гидролиз концентрированными кислотами образцов беленой сульфатной хвойной и лиственной целлюлозы, представленных в линейках крупных целлюлозно-бумажных предприятий России, а также бактериальной целлюлозы, произведенной из культур Мedusomyces gisevii в лабораторных условиях. Методом микроскопии определены размерные характеристики, визкозиметрически – степень полимеризации. Для беленой хвойной целлюлозы длина частиц наноцеллюлозы составляет 80…200 нм при диаметре частиц 80…100 нм, степень полимеризации – 60. Для беленой лиственной целлюлозы длина частиц – 80…150 нм при диаметре частиц 70…100, степень полимеризации – 50. Для бактериальной целлюлозы длина частиц – 120…250 нм, диаметр частиц – 70…120 нм, степень полимеризации – 110. Из препаратов наноцеллюлозы изготавливали суспензии различной концентрации (от 1 до 10 %), которые использовали в качестве армирующей добавки в образцы картона. Суспензию наноцеллюлозы наносили на поверхность целлюлозы в 1–2 слоя. Добавки препаратов наноцеллюлозы приводили к снижению разрывной длины (от 9,6 до 40,4 %) при увеличении плотности картона (от 6,3 до 23,8 %), жесткости при растяжении (от 14,0 до 25,0 %) и сопротивления продавливанию (до 31,9 %). Лучшие результаты достигнуты при использовании суспензии наноцеллюлозы из хвойной беленной целлюлозы, нанесенной на поверхность картона в 2 слоя: наблюдали снижение разрывной длины на 9,6 % при увеличении плотности на 23,8 %, жесткости при растяжении на 25,0 %, сопротивления продавливанию на 31,9 % относительно образца без добавки. Таким образом, показана возможность использования суспензий наноцеллюлозы, полученных из сырья растительного и бактериального происхождения методом кислотного гидролиза, для поверхностной обработки картона.

Сведения об авторах

Е.А. Топтунов*, инж. ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера»; ResearcherID: ABE-4069-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8441-788X
Ю.В. Севастьянова, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: ABE-4746-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1806-9052
К.С. Вашукова, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: G-1760-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7916-2410
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; zhenyatope@gmail.com*, y-sevastyanova@yandex.ru, k.bolotova@narfu.ru

Ключевые слова

порошковые целлюлозные материалы, нанокристаллическая целлюлоза, нанофибриллярная целлюлоза, структурно-морфологические характеристики

Для цитирования

Топтунов Е.А., Севастьянова Ю.В., Вашукова К.С. Поверхностная обработка картона суспензиями наноцеллюлозы растительного и бактериального происхождения // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 3. С. 162–172. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-3-162-172

Литература

1. Воскобойников И.В., Кондратюк В.А., Никольский С.Н., Константинова С.А., Коротков А.Н. Применение гидрогелей наноцеллюлозы при формовании бумаги и картона из различных видов волокнистого сырья // Вестн. МГУЛ – Лесной вестн. 2012. № 8. С. 110–116. 

2. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В., Ситникова А.Е., Бычин Н.В., Гладышева Е.К., Шавыркина Н.А., Миронова Г.Ф., Севастьянова Ю.В. Композиционная бумага из бактериальной наноцеллюлозы и хвойной целлюлозы // Изв. вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11, № 3. С. 460–471. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-3-460-471

3. Зарубина А.Н., Иванкин А.Н., Кулезнев А.С., Кочетков В.А. Целлюлоза и наноцеллюлоза. Обзор // Лесн. вестн. / Forestry Bulletin. 2019. Т. 23, № 5. С. 116–125. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2019-5-116-125

4. Иоелович М.Я. Оптимизация процесса получения нанокристаллической целлюлозы и композитов на ее основе // Химия растит. сырья. 2021. № 1. С. 55–61. https://doi.org/10.14258/jcprm.2021018667

5. Кузнецова Т.Г., Селиванова Е.Б., Богданова А.В., Иванкин А.Н. Наноидентификация нанообъектов в составе сырья и продуктов пищевого назначения // Экол. системы и приборы. 2012. № 2. С. 18–22. 

6. Прошина О.П., Олиференко Г.Л., Евдокимов Ю.М., Иванкин А.Н. Наноцеллюлоза и получение бумаги на ее основе // Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе: тез. докл. Междунар. конф., Москва, 15–17 нояб. 2011 г., М.: МГУЛ, 2011. С. 24–28. 

7. Семкина Л.И., Сарана Н.В., Лепешкина Е.В., Товстошкуров Е.М., Горячев Н.Л., Тюрин Е.Т., Зуйков А.А., Константинова С.А., Новиков А.А. Применение нанофибриллярной целлюлозы в композиции бумаги для гофрирования // Лесн. вестн. / Forestry Bulletin. 2020. Т. 24, № 2. С. 119–126. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-2-119-126

8. Топтунов Е.А., Севастьянова Ю.В. Порошковые целлюлозные материалы: обзор, классификация, характеристики и области применения // Химия растит. сырья. 2021. № 4. С. 31–45. https://doi.org/10.14258/jcprm.2021049186

9. Тюрин Е.Т., Зуйков А.А., Бондарев А.И., Гульянц Е.П., Фадеева Л.А., Константинова С.А., Новиков А.А., Аникушин Б.М., Винокуров В.А. Проведение испытаний экспериментальных образцов нанофибриллярной целлюлозы в производстве легкомелованной бумаги // Лесн. вестн. / Forestry Bulletin. 2021. Т. 25, № 2. С. 90–98. https://doi.org/10.18698/2542-1468-2021-2-90-98

10. Abitbol T., Amit R., Yifeng C., Yuval N., Eldho A., Tal B.-S., Shaul L., Oded S. Nanocellulose, a Tiny Fiber with Huge Applications. Current Opinion in Biotechnology, 2016, vol. 39, pp. 76–88. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2016.01.002

11. Bras J., Hassan M.L., Bruzesse C., Hassan E.A., El-Wakil N.A., Dufresne A. Mechanical, Barrier, and Biodegradability Properties of Bagasse Cellulose Whiskers Reinforced Natural Rubber Nanocomposites. Industrial Crops and Products, 2010, vol. 32, no. 3, pp. 627–633. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2010.07.018

12. Camarero Espinosa S., Kuhnt T., Foster E.J., Weder C. Isolation of Thermally Stable Cellulose Nanocrystals by Phosphoric Acid Hydrolysis. Biomacromolecules, 2013, vol. 14, no. 4, pp. 1223–1230. https://doi.org/10.1021/bm400219u

13. Grinshpan D.D., Gonchar A.N., Savitskaya T.A., Tsygankova N.G., Makarevich S.E. Rheological Properties of Cellulose-Chitosan-Phosphoric Acid Systems in Different Phase States. Polymer Science, Series A, 2014, vol. 56, no. 2, pp. 137–145. https://doi.org/10.1134/S0965545X14020059

14. Hayase G., Kanamori K., Hasegawa G., Maeno A., Kaji H., Nakanishi K. A Superamphiphobic Macroporous Silicone Monolith with Marshmallow-Like Flexibility. Angewandte Chemie, 2013, vol. 52, no. 41, pp. 10788–10791. https://doi.org/10.1002/anie.201304169

15. Jorfi M., Foster J.E. Recent Advances in Nanocellulose for Biomedical Applications. Journal of Applied Polymer Science, 2015, vol. 132, no. 14, рр. 1–19. https://doi.org/10.1002/app.41719

16. Lin N., Dufresne A. Nanocellulose in Biomedicine: Current Status and Future Prospect. European Polymer Journal, 2014, vol. 59, pp. 302–325. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2014.07.025

17. Liu K., Tian Y., Jiang L. Bio-Inspired Superoleophobic and Smart Materials: Design, Fabrication, and Application. Progress in Materials Science, 2013, vol. 58, no. 4, pp. 503–564. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2012.11.001

18. Moon R.J., MartiniA., Nairn J., Simonsen J., Youngblood J. Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties and Nanocomposites. Chemical Society Reviews, 2011, vol. 40, no. 7, pp. 3941–3994. https://doi.org/10.1039/c0cs00108b

19. Revol J.F., Bradford H., Giasson J., Marchessault R.H., Gray D.G. Helicoidal Self-Ordering of Cellulose Microfibrils in Aqueous Suspension. International Journal of Biological Macromolecules, 1992, vol. 14, no. 3, pp. 170–172. https://doi.org/10.1016/S0141-8130(05)80008-X

20. Robles E., Urruzola I., Labidi J., Serrano L. Surface-Modified Nano-Cellulose as Reinforcement in Poly (Lactic Acid) to Conform New Composites. Industrial Crops and Products, 2015, vol. 71, pp. 44–53. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.03.075

21. Si Y., Guo Z. Superhydrophobic Nanocoatings: From Materials to Fabrications and to Applications. Nanoscale, 2015, vol. 7, no. 14, pp. 5922–5946. https://doi.org/10.1039/C4NR07554D

22. Siqueira G., Bras J., Dufresne A. Cellulosic Bionanocomposites: A Review of Preparation, Properties and Applications. Polymers, 2010, vol. 2, no. 4, pp. 728–765. https://doi.org/10.3390/polym2040728

23. Wei H., Rodriguez K., Renneckar S., Vikesland P.J. Environmental Science and Engineering Applications of Nanocellulose-Based Nanocomposites. Environmental Science. Nano, 2014, vol. 1, no. 4, pp. 302–316. https://doi.org/10.1039/C4EN00059E