Чтобы ответить на эти вопросы,  рассмотрим строение отдельного целлюлозного волокна. Оно имеет:

—           очень тонкую первичную оболочку Р (толщиной около 0,1—0,3 мкм);

—           вторичную оболочку S (толщиной 1—5 мкм), которая в свою очередь делится на несколько слоев;

—           полость.

Целлюлоза в стенках волокна (клеточных стенках) находится в виде микрофибрилл. Микрофибриллы «сложены» из цепных макромолекул, образующих кристаллические и аморфные области, которые отличаются по степени упорядоченности и плотности межмолекулярных связей.

Расположение микрофибрилл в различных оболочках и слоях стенки волокна неодинаково. Так, в первичной оболочке стенки волокна как древесной, так и других видов целлюлозы, микрофибриллы образуют переплетающуюся сетку. Однако основные свойства волокон зависят от расположения микрофибрилл в среднем слое S2 вторичной оболочки, который составляет 80% от массы волокна. Он состоит из высокоориентированных микрофибрилл, расположенных параллельно друг другу под небольшим углом к оси волокна. Этот угол зависит от породы деревьев и вида растений. У хлопка он сравнительно велик и составляет 45°. У некоторых видов растений (рами, лен, конопля) наблюдается почти продольное направление микрофибрилл. А чем меньше угол наклона микрофибрилл к оси волокна, тем больше прочность волокна на разрыв. Поэтому-то прочность льна больше, чем хлопка. То же можно сказать про летние и весенние волокна древесины. У летних угол наклона микрофибрилл меньше и, следовательно, прочность больше.

Углом наклона микрофибрилл определяются также деформационные свойства волокон. Чем он меньше, тем лучше ориентация микрофибрилл в направлении растяжения и при приложении растягивающей нагрузки волокно меньше вытягивается. Поэтому деформация при разрыве у летних волокон древесины обычно меньше, чем у весенних. Значительная прочность целлюлозных волокон связана также с их высокой кристалличностью и степенью полимеризации. Эти структурные особенности отдельных целлюлозных волокон обусловливают прочностные характеристики, которые не хуже, чем у металлов.

Почему же, несмотря на такие свойства отдельных природных целлюлозных волокон, изготовленные из них материалы имеют недостаточную  прочность?

Возьмем бумагу. Это пространственная сетка взаимосвязанных волокон. Ее низкая прочность объясняется главным образом тем, что она определяется прочностью не столько самих волокон, сколько межволоконных связей. Известно, что волокна в бумаге могут быть связаны между собой посредством водородных связей, обусловленных наличием на поверхности целлюлозы гидроксильных групп, молекулярными силами Ван-дер-Ваальса и электростатическими силами двойного электростатического слоя, образующегося на границе раздела «целлюлоза—вода» (вода в некотором количестве всегда присутствует в бумаге). Чем «крепче» межволоконные силы связи, тем больше прочность изготовленного из отдельных волокон материала будет приближаться к прочности самих волокон.

Одним из путей повышения прочности связей между волокнами является размол в водной среде, всегда применяемый при изготовлении бумаги. В результате размола происходит диспергирование волокон и их расщепление на фибриллярные пучки. При последующей сушке под действием сил межмолекулярного взаимодействия пучки уплотняются, образуя достаточно прочные межволоконные связи бумаги. Чем сильнее (до некоторого предела) размолоты волокна, то есть чем лучше они диспергированы, тем плотнее их упаковка при последующей сушке и прочнее межволоконные связи.

Другим путем упрочнения этих связей является прессование (на практике применяемое в таких процессах, как каландрование). При прессовании на каландрах происходит сближение волокон, уменьшаются межволоконные расстояния, и это способствует образованию дополнительных контактов между волокнами.

Можно также прибегнуть к способу образования между волокнами нецеллюлозных связей. Этого достигают путем образования адгезионных связей при введении полимерных связующих (например, фенолформальдегидной и мочевиноформальдегидной смол). Так поступают при изготовлении целлюлозных пластиков. С этой же целью производят образование химических сшивок между волокнами при  их обработке многофункциональными реагентами (формальдегидом, диметилолмочевиной и др.).

Каковы же практические перспективы получения прочных материалов из природных целлюлозных волокон? Что касается размола, то развитие этого метода длится более трех столетий. Конечно, появляются новые возможности, однако вряд ли в ближайшем будущем можно ожидать здесь значительного скачка. Применение полимерных связующих? Пока еще такое соединение целлюлозы и синтетических полимеров при всем многообразии потребительских свойств не дало высокопрочных материалов. Дело в том, что ключевую роль тут играет прочность связующих и образованных с ними адгезионных связей, которая намного меньше прочности целлюлозных волокон.

Наиболее перспективным представляется увеличение прочности материалов путем прессования при повышенных давлениях. До недавнего времени применение высоких давлений ограничивалось рядом технических трудностей. Сегодня этот путь в производстве волокнистых материалов становится вполне реальным, и его можно использовать для получения новых высокопрочных материалов, как на основе целлюлозы, так и на основе композиций целлюлозы с другими высокоориентированными полимерами.

Похожие записи: