Коллоидный журнал, 2020, T. 82, № 4, стр. 488-500

Силикатирование формоустойчивых аэрогелей целлюлозы для улучшения механических свойств

О. Н. Хлебников 1, И. В. Постнова 1, Li-Jen Chen 2, Ю. А. Щипунов 1*

1 Институт химии ДВО РАН
690022 Владивосток, проспект 100-летия Владивостока, 159, Россия

2 Department of Chemical Engineering, National Taiwan University
106-17 Taipei, Taiwan

* E-mail: yas@ich.dvo.ru

Поступила в редакцию 04.12.2019
После доработки 06.03.2020
Принята к публикации 10.03.2020

Аннотация

Формоустойчивые аэрогели, сохраняющие форму и геометрические размеры в растворах, сформированы из целлюлозы, подвергнутой интенсивной механической обработке в сочетании с замораживанием/размораживанием. Она привела к частичному выделению многочисленных микро/наноразмерных фибрилл, окружающих остатки волокон. Их переплетение способствовало увеличению механической прочности и устойчивости аэрогелей в растворах. Силикатирование (минерализация) проведено методом золь–гель химии в разбавленных растворах прекурсора – тетраэтоксисилана, максимальная концентрация которого составила 1 мас. %. При этом получены тонкие силикатные покрытия на микро/нанофибриллах, формирование которых показано с помощью ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Исследование механических свойств в режиме сдавливания выявило существенное возрастание механической прочности и снижение упругости аэрогелей в результате их минерализации. Так, модуль Юнга после обработки в 1%-ном растворе прекурсора вырос на порядок величины, а протяженность линейного участка зависимости напряжения от деформации уменьшилась. В то же время наличие тонкого силикатного покрытия на микро/нанофибриллах не сказывалось на механических свойствах аэрогелей, помещенных в водный раствор. Это может объясняться пластифицирующей ролью воды, абсорбируемой гидрофильной целлюлозой.

DOI: 10.31857/S0023291220040047

Список литературы

  1. Kistler S.S. // J. Phys. Chem. 1931. V. 36. P. 52.

  2. Turbak A.F., Snyder F.W., Sandberg K.R. Pat. 4374702 USA. 1983.

  3. Turbak A.F., Snyder F.W., Sandberg K.R. // J. Appl. Polym. Sci. Appl. Polym. Symp. 1983. V. 37. P. 815.

  4. Khlebnikov O.N., Silantev V.E., Shchipunov Y.A. // Mendeleev Commun. 2018. V. 28. P. 214.

  5. Verdolotti L., Stanzione M., Khlebnikov O., Silant’ev V., Postnova I., Lavorgna M., Shchipunov Y. // Macromol. Chem. Phys. 2019. V. 220. P. 1800372.

  6. Shchipunov Y. // Pure Appl. Chem. 2012. V. 84. P. 2579.

  7. Boury B., Plumejeau S. // Green Chem. 2015. V. 17. P. 72.

  8. Shchipunov Y., Postnova I. // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 26. №. 1705042.

  9. Mann S. // Nature. 1993. V. 365. P. 499.

  10. Addadi L., Weiner S. // Angew. Chem. Int. Ed. 1992. V. 31. P. 153.

  11. Bauerlein E. // Angew. Chem. Int. Ed. 2003. V. 42. P. 614.

  12. Currie H.A., Perry C.C. // Ann. Botany. 2007. V. 100. P. 1383.

  13. Ruiz-Hitzky E., Darder M., Aranda P. // Bio-inorganic hybrid nanomaterials / Ed. by Ruiz-Hitzky E., Ariga K., Lvov Y.M. Weinheim: Wiley-VCH, 2008. P. 1.

  14. Bhushan B. Biomimetics. Bioinspired Hierarchical-Structured Surfaces for Green Science and Technology. Berlin: Springer, 2016.

  15. Patwardhan S.V. // Chem. Commun. 2011. V. 47. P. 7567.

  16. Щипунов Ю.А., Силантьев В.Е., Постнова И.В. // Коллоид. журн. 2012. Т. 74. С. 654.

  17. Postnova I., Khlebnikov O., Silant’ev V., Shchipunov Y. // Pure Appl. Chem. 2018. V. 90. P. 1755.

  18. Iler R.K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surfaces Properties, and Biochemistry. New York: Wiley, 1979.

  19. Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-Gel Science. The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. Boston: Academic Press, 1990.

  20. Hench L.L. Sol-Gel Silica. Properties, Processing and Technology Transfer. Westwood, New Jersey, USA: Noyes Publications, 1998.

  21. Pierre A.C. Introduction to Sol-Gel Processing. Boston: Kluwer, 1998.

  22. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2007.

  23. Shchipunov Y.A. // Bio-Inorganic Hybrid Nanomaterials / Ed. by Ruiz-Hitzky E., Ariga K., Lvov Y. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2008. P. 75.

  24. Luo Y., Xiao L., Zhang X. // J. Cult. Herit. 2015. V. 16. P. 470.

  25. Hench L.L., West J.K. // Chem. Rev. 1990. V. 90. P. 33.

  26. Husing N., Schubert U. // Functional Hybrid Materials / Ed. by Gomez-Romero P., Sanchez C. Weinheim: Wiley-VCH, 2004. P. 86.

  27. Postnova I.V., Krekoten A.V., Kozlova E.A., Tsybulya S.V., Rempel A.A., Shchipunov Y.A. // Russ. Chem. Bull. 2013. V. 62. P. 976.

  28. Mathlouthi M., Koenig J.L. // Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. 1986. V. 44. P. 7.

  29. Klemm D., Philipp B., Heinze T., Heinze U., Wagenknecht W. Comprehensive Cellulose Chemistry. Fundamentals and Analytical Methods. Weinheim: Wiley-VCH, 1998.

  30. Poletto M., Pistor V., Zattera A.J. // Cellulose – Fundamental Aspects / Ed. by Van de Ven T., Godbout L. Rijeka: InTech, 2013. P. 45.

  31. Socrates G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies: Tables and Charts. Chichester: Wiley, 2016.

  32. Aguiar H., Serra J., Gonzalez P., Leon B. // J. Non-Cryst. Solids. 2009. V. 355. P. 475.

  33. Zanini M., Lavoratti A., Lazzari L.K., Galiotto D., Pagnocelli M., Baldasso C., Zattera A.J. // Cellulose. 2017. V. 24. P. 769.

  34. Maleki H., Duraes L., Portugal A. // J. Non-Cryst. Solids. 2014. V. 385. P. 55.

  35. Hubbe M.A. // Bioresources. 2006. V. 1. P. 281.

  36. Hirn U., Schennach R. // Sci. Rep. 2015. V. 5. 10503.

  37. Alaoui A.H., Woignier T., Scherer G.W., Phalippou J. // J. Non-Cryst. Solids. 2008. V. 354. P. 4556.

  38. Cai J., Liu S.L., Feng J., Kimura S., Wada M., Kuga S., Zhang L.N. // Angew. Chem. Int. Ed. 2012. V. 51. P. 2076.

  39. Liu S., Yu T., Hu N., Liu R., Liu X. // Colloids Surf. A. 2013. V. 439. P. 159.

  40. Demilecamps A., Beauger C., Hildenbrand C., Rigacci A., Budtova T. // Carbohydr. Polym. 2015. V. 122. P. 293.

  41. Seantier B., Bendahou D., Bendahou A., Grohens Y., Kaddami H. // Carbohydr. Polym. 2016. V. 138. P. 335.

  42. Nguyen S.T., Feng J.D., Ng S.K., Wong J.P.W., Tan V. B.C., Duong H.M. // Colloids Surf. A. 2014. V. 445. P. 128.

  43. Guo L.M., Chen Z.L., Lyu S.Y., Fu F., Wang S.Q. // Carbohydr. Polym. 2018. V. 179. P. 333.

  44. Alaoui A. H., Woignier T., Scherer G.W., Phalippou J. // J. Non-Cryst. Solids. 2008. V. 354. P. 4556.

Дополнительные материалы отсутствуют.