Нанокристаллы из целлюлозы. Необычные свойства знакомого материала

Лаборатория лесного производства США объявила о старте опытного производства нанокристаллов из целлюлозы, сырьем которым служат древесные отходы, щепа и опилки.

Прочностные свойства правильно изготовленного нового материала превышают аналогичные показатели знаменитого кевлара и углеволокна. при стоимости на порядок ниже. Кроме того, кристаллы из целлюлозы прозрачны. Заявленные свойства вызвали настоящий фурор на рынке. Заинтересованность проявили военные, представители компаний из авиационного, автомобильного бизнеса и ряда других отраслей.

Целлюлоза – наиболее распространенный биологический полимер на нашей планете. Из него выстроены стенки клеток растений и бактерий. Длинные цепочки молекул глюкозы образуют запутанные в сложный узор целлюлозные волокна. Такая природная конструкция обеспечивает достаточную прочность клеточных структур. Однако изделия из целлюлозы, источником которой служит в основном древесина, не отличаются прочностью и долговечностью.

Обычно процесс промышленного производства целлюлозы заключается в том, что после разрушения механической структуры природного сырья, из него с помощью химических растворителей вымывается лигнин, после чего остается водная суспензия целлюлозных волокон.

Каким образом удалось столь радикально повысить прочность целлюлозного волокна? Дело в том, что волокна неоднородны на всем своем протяжении. Области с беспорядочным расположением молекул чередуются с участками, где молекулы расположены строго определенным образом.

В так называемых нанофибриллах прочность структуры обеспечивается не только внутримолекулярными связями, но и водородными связями молекул между собой. Они и придают целлюлозе свойства нанокристаллов.

Американским ученым удалось «вымыть» аморфные участки, применив метод кислотного гидролиза. Технология позволяет получить из исходного сырья около 30% готового продукта с удивительными свойствами.

Это предел возможностей, определяемый соотношением кристаллической и аморфной целлюлозы в исходном сырье. Цель опытного производства - достичь себестоимости целлюлозных нанокристалов в пределах $10 за килограмм. Дальнейшее снижение стоимости возможно при расширении объемов производства и может достичь значения $1-2.

Измерения показывают, что упругость наноцеллюлозы примерно на 15% превышает упругость кевлара и равна упругости углеводородных волокон. По прочности на разныв кевлар уступает более чем вдвое, так же, как и углеволокно. Если сравнивать эти показатели с древесиной, то упругость дуба в полтора десятка раз ниже, чем нового материала, а цифры прочности на разрыв меньше в 75 раз.

Однако не следует идеализировать кристаллическую целлюлозу. Ее слабое место – устойчивость к воздействию воды.

В обычных условиях вода не может растворить целлюлозу, ни деполимеризовать волокна, ни разрушить их межмолекулярные связи. Несмотря на это, новый материал склонен к набуханию. При достаточном количестве воды, он разбухает вдвое от сухого состояния.

Для борьбы с набуханием планируется обрабатывать поверхности и делать их водоотталкивающими за счет преобразования внешнего слоя или покрытия защитными материалами. Кроме того, есть много мест, где воды не бывает в принципе.

Автор: Алексей Норкин