A cellulóz mint a biokompozitok erősítőanyaga

A cellulóz Földünk legnagyobb mennyiségben előforduló természetes polimere. A fa 40%-a, a kender 80%-a, míg a pamut közel 90%-a cellulóz. A cellulóz a növényi sejtfal legfontosabb alkotórésze (lsd. 1.ábra), amely egy poliszacharid β-D glükózegységekből épül fel.

1. ábra Cellulóz a növényi sejtfalban
[R. E. Quiroz-Castañeda,J. L. Folch-Mallol:Hydrolysis of Biomass Mediated by Cellulases for the Production of Sugars in 'Biochemistry, Genetics and Molecular Biology Sustainable Degradation of Lignocellulosic Biomass - Techniques, Applications and Commercialization' intech 2013]

A sejtfal cellulózállománya részben kristályos szerkezetűnek tekinthető. A sejtfal egyes részein a cellulóz molekulák kristályrácsba rendeződnek, amelyet micellának nevezünk, míg a többi részein kevésbé rendezett un. amorf vagy paramicelláris részek alakulnak ki. A kristályos és amorf részek aránya 50-90% között változhat. Ha a cellulóz szubmikroszkópos szerkezetét tekintjük, akkor elmondható, hogy hierarchikus felépítésű, növényi sejtfalban lévő fibrilláris szerkezeten (fibrilla kötegek) belül mikrofibrillák azon belül pedig elemi fibrillák (micelláris és paramicelláris résszel) alkotják.

Cellulóz tulajdonságai:

• Szobahőmérsékleten szilárd,
• Általában fehér színű (tiszta állapotot tekintve),
• Nagy szilárdság és fajlagos felület jellemzi
• 130-250 GPa közötti a rugalmassági modulusa
• Vízben nem oldódik,
• Degradálódása hidrolízissel megoldható.

Cellulóz erősítőanyag előállítása:

A cellulóz kristályokat a hemicellulóz és a lignin veszi körbe, amelyeket  az erősítőanyag gyártása során el kell távolítani. A folyamatot két fő lépésre bonthatjuk: 1, mechanikus bontás (aprítás) 2, kémiai feltárás. A mikro-kristályos cellulóz (MFC) előállítása során a lignin és a hemicellulóz eltávolításának céljából a cellulózt őrlik és fehérítik. A fehérített szálat ezután hidrolizálják, vagy általában mechanikusan szétbontják, vagy mindkét módszert együttesen alkalmazzák. A nano-kristályos cellulózt, ellentétben az MFC-vel, mindig savas hidrolízissel állítják elő. 

Cellulóz felhasználása kompozit erősítőanyagaként:

A cellulózt mint biokompozit erősítőanyagot mikro-fibrilláris formában és már nano-kristályos formában (utóbbit jellemzően vizes közegben eloszlatva lsd. 2.ábra) is a kereskedelemben megvásárolhatjuk (pl. www.jrs.de).

2. ábra Arbocell MF-40-es vízben diszpergáltatott nanokristályos cellulóz felhasználás előtt

A biokompozitok gyártása során a kulcskérdés az alkalmazott cellulóz erősítőanyag egyenletes eloszlatása továbbá a szükséges határfelületi kapcsolódás biztosítása a mátrix anyagban azaz a termoplasztikus keményítőben illetve politejsavban. A kísérleti felhasználásról és a tapasztalatokról hamarosan újabb bejegyzésben írok...