НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

На свойства бетона сильно влияют свойства его компонентов и гидратов в наноразмерном масштабе. Поэтому применение нанотехнологий в цементной и бетонной науке создаст новые возможности для повышения прочности и долговечности бетона.

Современные полимерные материалы, в том числе целлюлозные и целлюлозосодержащие, являются сложными гетерогенными (многокомпонентными и многофазными) системами, свойства которых определяются химическим строением компонентов, характером и интенсивностью взаимодействия между ними, а также микро- и макроструктурой материала. Одним из перспективных путей регулирования этих характеристик и, как следствие, направленного изменения свойств целлюлозосодержащих композиционных материалов является использование в качестве модифицирующего компонента наноразмерных элементов структуры целлюлозы - нанокристаллической и нанофибриллярной целлюлозы.

В последние годы мир науки начал производить новые материалы и исследовать их свойства с помощью нанотехнологий. Использование нанотехнологий получило широкое распространение во всех отраслях науки.

На сегодняшний день целлюлоза является самым распространенным возобновляемым полимером. Целлюлоза известна как химическое сырье, которое используется в виде волокон или их производных для широкого спектра продуктов и материалов [5]. В последнее время наблюдается интерес к производству биокомпозиционных материалов с наноразмерными наполнителями. Применение целлюлозных кристаллитов в качестве наноразмерных добавок позволяет значительно усилить механические свойства полимерного композита и, кроме того, придать ему свойства биоразложения. Это обусловлено тем, что наноразмерные частицы обладают высокой механической прочностью (прочность на разрыв ~10 ГПа, модуль упругости ~150 ГПа), сопоставимой с прочностью углеродных нанотрубок, что дает возможность получения сверхпрочных и сверхлегких материалов, а сырьевые ресурсы для получения нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) практически неограниченны.

В настоящее время приходится разрабатывать бетоны с индивидуальными свойствами, отвечающими требованиям устойчивости и устойчивости инфраструктурных систем. Таким образом, нанобетон, включающий наноцеллюлозные материалы, может раскрыть новые направления исследований для создания свойств, необходимых для устойчивых цементных композитов.

Наноцеллюлоза является перспективным наноармированием для цементных композитов с хорошими механическими характеристиками, одновременно способствуя развитию экологических строительных материалов.

Наноцеллюлоза – это легкое твердое вещество, полученное из растительного сырья, которое содержит наноразмерные целлюлозные фибриллы. Этот новый материал является псевдопластиком и обладает свойством определенных видов жидкостей или гелей. Размеры наноцеллюлозы варьируются от 5 до 20 нм (Рис.1) [4].

Рисунок 1. Нанокристаллическая целлюлоза

Свойства наноцеллюлозы перечислены ниже:

• легкий материал;
• электропроводящий;
• нетоксичный;
• кристаллическая форма прозрачна и газонепроницаема;
• его можно произвести в больших количествах (рентабельно);
• он имеет очень высокую прочность на растяжение – в 8 раз больше, чем сталь;
• он обладает высокой впитывающей способностью при использовании в качестве основы для аэрогелей и пен;
• сырье – целлюлоза является самым распространенным полимером на земле.

Наноцеллюлоза обычно производится из древесной массы, хотя она также может быть получена из любого целлюлозного исходного материала.

Наноцеллюлозу получают с использованием следующих стадий:

1. Сначала происходит удаление нецеллюлозных примесей из древесной массы с помощью гомогенизатора. Гомогенизаторы высокого давления, используемые в производственном процессе, помогают расслаивать клеточные стенки волокон и отделять наноразмерные фибриллы.
2. Далее идет отделение целлюлозных волокон, слегка взбивая смесь.
3. После, волокна образовывают густую пасту из игольчатых кристаллов или спагетти-подобную структуру целлюлозных фибрилл.
4. Полученную густую пасту можно формовать и легко использовать для ламинирования поверхностей.
5. После того, как целлюлоза полностью отделена от древесной массы, наноцеллюлоза находится в водной суспензии. На этом этапе следует позаботиться о предотвращении образования грубых комков в тех случаях, когда целлюлозные волокна склеиваются по мере высыхания материала.

Исследователи таким образом разработали процесс, который позволяет наноцеллюлозе высыхать без образования грубых комков. Таким образом, этот процесс предотвращает слипание целлюлозных волокон и позволяет им сохранять свои механические свойства.

Разработано большое количество методов и способов получения наноматериалов. В последнее время активно разрабатываются методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия различных сред. К ним относятся кавитационногидродинамический, вибрационные способы, способ ударной волны, измельчение ультразвуком, детонационный синтез.

Методом кавитационного-гидродинамического воздействия возможно получение суспензий нанопорошков в различных дисперсных средах. Кавитационные эффекты, вызванные образованием и разрушением газовых микропузырьков в течение 10^-3-10^-5 секунд при действии давления 100-1000 МПа, приводит к разогреву в ходе процесса диспергируемого материала. Ударное воздействие, вакуум, повышенная температура вызывают измельчение материала. Разрушающее действие кавитационных ударов используется также в способе измельчание материалов ультразвуком [2].

Если разрушать волокона целлюлозы до нанофибрилл, которые примерно в тысячу раз меньше, чем сами волокна, то можно получить трехмерную сетку неразветвленных длинных нитей молекул целлюлозы, которые удерживаются с помощью водородных связей. Водородные связи между молекулами целлюлозы являются достаточно сильными, чтобы придать прочность и жесткость нанокристаллам целлюлозы [4].

Из этих нанофибрилл формируются секции, в которых молекулы упорядочены, а целлюлозные цепочки расположены параллельно друг другу. В некоторых из этих областей появляются одиночные нанофибриллы, отделенные аморфной областью, которые не имеют большую степень упорядоченности. Такие индивидуальные нанокристаллы легко удаляются путем растворения аморфных областей с помощью сильных кислот.

Технология получения модифицированных строительных смесей должна гарантировать точное дозирование небольших количеств функциональных добавок, их равномерное введение и распределение по всей массе смеси в скоростном смесителе [3].

Анализ полученной информации позволил сделать выводы о перспективе широкого развития производства с применением микро- и наноцеллюлозы в технологии получения механоактивированных добавок для строительных смесей.

Список литературы:

1. Nanocrystalline cellulose (NCC). Europages.en URL: https://www.europages.co.uk/Nanocrystalline-cellulose-NCC/NAVITAS-DOO/cpid-5698338.htmlWiley J. «Engineering Mechanics», New York, 2002. – 280. (дата обращения 17.04.2020)
2. Наноматериалы: учебное пособие / Под ред. Рыжинков Д.И. – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 365 с.
3. Патентный поиск. https://findpatent.ru/patent/250/2505545.html (дата обращения: 6.03.2020)
4. ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности». Информационно-поисковая система патентов. ASME [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://www1.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system/ (дата обращения: 6.12.2019)
5. Целлюлоза и ее производные [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/201.html, свободный (дата обращения: 27.04.2020)