Композиционные материалы на основе целлюлозы с наночастицами монтмориллонита, полученные из водно-щелочных растворов
(ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург), (ИВС РАН, Санкт-Петербург).
В последние два десятилетия интенсивно изучаются свойства композиционных материалов на основе природных и синтетических полимеров с добавками наночастиц разного происхождения (природных и синтетических).
На основе природных полимеров с введенными в их состав минеральными и полимерными органическими наночастицами (нанофибриллами) получают полимерные нанокомпозиты, которые являются биоразлагаемыми вследствие природы этих полимеров, что является весьма важным в контексте охраны окружающей среды и снижения ее загрязнения. Полимерные нанокомпозиты на основе полисахаридов с добавками наночастиц разного происхождения являются перспективным направлением в разработке технологий получения упаковочных материалов с пониженной газопроницаемостью для пищевых продуктов, а также в сельском хозяйстве, косметике и для медицинских целей.
В работе [1] показано, что из растворов целлюлозы в смеси вода/LiOH/мочевина с добавками наночастич монтмориллонита (ММТ) получены композиционные пленки с улучшенными физико-механическими характеристиками. Наночастицы ММТ гидратцеллюлозной матрице находятся в интеркалированном состоянии, а сами пленки обладают пониженной газопроницаемостью в отношении кислорода, что показывает перспективность применения таких пленок в качестве упаковочного биодеградируемого материала для пищевых продуктов. В настоящей работе изучены условия получения композиционных пленок из растворов целлюлозы в водно-щелочной системе вода/NaOH/мочевина/тиомочевина с добавками наночастиц ММТ. Условия растворения описаны в [2]. Предварительно готовили дисперсию ММТ в воде, после чего вводили расчетное количество ММТ в растворы целлюлозы.
С помощью рентгеноструктурного анализа структурная организация композитных пленок. Показано, что наночастицы ММТ в воде и в смеси NaOH/мочевина/тиомочевина находятся в эксфолиированном состоянии (рис. 1). Установлено, что введение ММТ в раствор целлюлозы в водно-щелочных системах приводит к получению композитных пленок, в которых наночастицы ММТ находятся в интеркалированном состоянии (рис. 2).
С помощью электронной микроскопии изучена морфология композиционных пленок (рис. 3). На сколах композиционной пленки с 5% ММТ Видны пластины наночастиц ММТ, а сами нанопластины имеют слоистую форму, близкую к форме исходных пластин ММТ. Полученные микрофотографии подтверждают данные рентгеноструктурного анализа.
Известно, что введение минерального наполнителя в полимерную матрицу часто приводит к повышению термостойкости и термостабильности композитов. Поэтому в настоящей работе с помощью метода ТГА изучена термостойкость композиционных пленок. Показано, что ведение минерального наполнителя приводит к повышению значения остаточной массы при 800°С от 15 до 25-26%. Термостойкость композитов также возрастает с ростом содержания в них ММТ. За характеристику термостойкости полимера принимали температуру, при которой наблюдается потеря 5% массы образца.
Рис. 1. Рентгенодифрактограммы ММТ (1), геля ММТ в растворе NaOH/М/ТМ (2) и в воде (3). | Рис. 2. Рентгенодифрактограммы пленок гидратцеллюлозы (1), композитов целлюлоза-ММТ (2-6) и исходного ММТ (7). Содержание ММТ: 1 (2), 3 (3), 5 (4), 7 (5) и 10 мас.% (6). |
Рис. 3. Электронные микрофотографии скола гидратцеллюлозной пленки с добавкой 5% ММТ.
С помощью метода Фурье ИК-спектроскопии изучены особенности взаимодействия макромолекул целлюлозы с поверхностью нанопластин ММ ИК-спектрах наблюдается тенденция смещения полосы поглощения групп Si-O от 1040 до 990 см-1 по мере увеличения концентрации ММТ в композиционных пленках. Такая закономерность может быть обусловлена как образованием водородных связей между группами Si-O и ОН-группами целлюлозы, так и изменением диэлектрической проницаемости окружающей нанопластины среды (при переходе от геля ММТ в воде и в смеси вода/NaOH/мочевина/тиомочевина к полимерной матрице).
Список литературы
1. Yang Q., Wu C. N., Saito T., Isogai A. Cellulose–clay layered nanocomposite films fabricated from aqueous cellulose/LiOH/urea solution. // Carbohydrate Polymers. 2014. V. 100. P. 179–184.
2. , , Волчек растворения целлюлозы в водно-щелочных средах с добавками мочевины и тиомочевины. // Хим. волокна. 2015. № 3. С. 32-37.
