ITHACA, N. Y. - Возможно, вскоре станет возможным производство дешевого, высококачественного, высокопрочного волокна из биоразлагаемых и возобновляемых отходов для фильтрации воздуха, фильтрации воды и сельскохозяйственных нанотехнологий, сообщают ученые-полимерщики из Корнелла. Университет. Это достижение является результатом использования недавно усовершенствованной техники электропрядения для получения нановолокон из целлюлозы.
«Целлюлоза - самый распространенный возобновляемый ресурсный полимер на Земле. Она формирует структуру всех растений», - говорит Маргарет Фрей, доцент кафедры текстиля и одежды в Корнеллском университете.«Хотя исследователи предсказывали, что из этого волокна можно изготовить волокна с прочностью, близкой к кевлару, этого еще никому не удалось. Мы разработали несколько новых растворителей для целлюлозы, которые позволили нам производить волокна с использованием метода, известного как электропрядение».
Фрей сотрудничает в исследовании с Йонг Джу, доцентом, и Чу Вон Кимом, аспирантом, оба изучают химическую инженерию в Корнелле. Фрей сообщает о разработке 9 сентября на ежегодном собрании Американского химического общества в Нью-Йорке.
Техника электропрядения целлюлозы в наномасштабе впервые была успешно использована несколько месяцев назад. Он включает растворение целлюлозы в растворителе, выдавливание жидкого полимерного раствора через крошечное отверстие и подачу высокого напряжения на отверстие. (Наномасштаб часто относится к измерениям на молекулярном уровне; нанометр равен одной миллиардной части метра, или в три раза больше диаметра атома кремния.)
«Этот метод основан на электрических, а не механических силах для формирования волокон. Таким образом, от полимерных растворов для электропрядения требуются особые свойства, включая способность нести электрические заряды», - говорит Фрей.
Заряд вытягивает полимерный раствор по воздуху в крошечное волокно, которое собирается на электрическом заземлении, объясняет Фрей. «Производимое волокно имеет диаметр менее 100 нанометров, что в 1000 раз меньше, чем при обычном прядении», - говорит она. По словам Фрея, новая техника теперь возможна благодаря новой группе растворителей, способных растворять целлюлозу. Исследователи из Корнелла в настоящее время используют экспериментальные растворители, чтобы найти тот, который позволит производить волокна с превосходными свойствами.
Всякий раз, когда хлопок превращается в ткань и одежду, волокно (целлюлоза) превращается в лом или отходы. В настоящее время он в значительной степени выбрасывается или используется для производства малоценных продуктов, таких как ватные шарики, пряжа и хлопковый ватин.
«Производство материала с высокими эксплуатационными характеристиками из переработанного целлюлозного материала повысит мотивацию к переработке этих материалов на всех этапах текстильного производства и удалению их из потока отходов», - отмечает Фрей. Она говорит, что электропрядение обычно производит нетканые маты из нановолокон, которые могут обеспечить наноразмерные поры для промышленных фильтров.
«Производство волокон сверхмалого диаметра из целлюлозы может иметь широкий спектр применений, которые будут использовать огромную площадь поверхности нетканых матов из нановолокон и возможность контролировать ориентацию молекул и кристаллическую структуру наноразмерных волокон», - говорится в сообщении. Фрей. В случае успеха возможные области применения могут включать фильтрацию воздуха, защитную одежду, сельскохозяйственные нанотехнологии и биоразлагаемые нанокомпозиты.
«Еще одно применение, которое мы предвидим, - это использование биоразлагаемых электропряденных целлюлозных матов для поглощения удобрений, пестицидов и других материалов. Затем эти материалы будут высвобождать материалы в нужное время и в нужном месте, что позволяет наносить их целенаправленно», - говорит Джу.
Пока группа Фрея готовила новые растворители для целлюлозы, группа Джу проводила исследования электропрядения.
Фрей отмечает, что Соединенные Штаты производят 20 миллионов 480-фунтовых тюков волокна в год; мировое годовое производство составляет 98 миллионов тюков. По словам Фрея, на каждом этапе процесса переработки собранного хлопка в ткань и одежду часть волокна теряется в виде металлолома или отходов. При вскрытии и очистке, например, теряется от 4 до 8 процентов волокна; до 1 процента теряется при волочении и ровнице; и до 20 процентов при чесании и производстве пряжи.
Исследование проводится при поддержке Колледжа экологии человека штата Нью-Йорк в Корнелле.