Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Галимуллин И.Н., д.т.н. Башкирцева Н.Ю., к.х.н. Нугманов О.К.*

Казанский национальный исследовательский технологический университет г. Казань, Россия,

ОАО «НИИнефтепромхим» г.Казань, Россия*

АНАЛИЗ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И ТЕРМОГРАВИМЕТРИЯ ТРАВЯНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЩМА

В современных условиях постоянно возрастающего потока автотранспорта и грузоподъемности автомобилей, увеличиваются нагрузки на дорожное полотно. Одним из решений проблемы качества и долговечности дорог является, дорожные покрытия на основе щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА). Главное отличие ЩМА от обычного асфальтобетона – это применение в его составе рационально подобранной смеси минеральных материалов, дорожного битума и стабилизирующей добавки из целлюлозных волокон, которые структурируют битум, тем самым увеличивая толщину битумного слоя на поверхности минеральной части дорожного покрытия [1]. Данное покрытие получило широкое распространения во многих странах мира.

В настоящее время в России представлен широкий ассортимент стабилизирующих добавок для ЩМА, такие как СД, Гасцел, Topcel, Viatop и многие другие. Опытном путем было установлено, что наибольшим структурирующим эффектом обладают натуральные целлюлозные волокна. В настоящее время основным сырьем для получения добавки является древесная целлюлоза. В настоящее время, с каждым годом возрастает интерес и к целлюлозе из травянистых растений, которые являются легко возобновляемыми источниками сырья и через несколько месяцев готовы к технологическому использованию [2]. Травяная целлюлоза по физико-химическим и физико-механическим характеристикам не уступает древесной целлюлозе [3, 4]. Однако, эти значения не могут полностью охарактеризовать ее, как сырье для получения высококачественных стабилизирующих добавок, применяемых в дорожном строительстве.

Целью настоящей работы являлось исследование морфологической структуры травяной целлюлозы из льна и рапса полученные термо-механо-химическим способом, и её термостойкость [5]. Исследования образцов целлюлоз проводили методами сканирующей электронной микроскопии и термогравиметрии.

Проведенное электронно-микроскопическое исследование образцов выявило отличие морфологической структуры полуцеллюлозы из рапса и льна. Волокна полуцеллюлозы из рапса, расщеплены на тонкие протяженные волокна толщиной от 4.23 до 22.0 мкм, на которых видны поры разных размеров от 0.9 до 3.2 мкм. Волокна льняной полуцеллюлозы целлюлозы скручены из более тонких волокон, толщина которых варьируется от 1.64 до 6.67 мкм. Наличие пор у образца из рапса объясняет большую сорбционную емкость в отличие от древесной целлюлозы. Данная закономерность была выявлена в ходе проведенных исследований, где наибольшую сорбционную емкость показал образец полуцеллюлозы из рапса [6].

В ходе исследования термогравиметрическим методом травяной полуцеллюлозы из льна и рапса при непрерывным нагревании образцов от комнатной температуры до 1000°С на термограммах фиксируется три основные области потери массы от 20 до 100°С, 200-370°С, 340-550°С.

Наличие первого эффекта свидетельствует о преимущественном удалении физически связанной воды (адсорбционной). Второй эффект обусловлен началом интенсивной деструкции целлюлозы, при 200-230°С происходит деструкция целлюлозы в основном за счет аморфной части. При температуре около 340°С происходит полная аморфизация со значительной потерей массы (до 60%). Затем начинается переход аморфизированной структуры целлюлозы в карбонизованную (формирование структуры угля) [7].

Данные термического анализа представлены в таблице №1.

Таблица 1– Данные термического анализа

Образец	Данные ТА
	Температура начала потери веса, °С	Адсорб. вода, 20-110 °С, %	Температура максимальной потери веса, °С	I интервал потери веса, °С (%)	II интервал потери веса, °С (%)	Температура полного сгорания, °С	Остаток, %
п/ц льна	223	4,7	327	223-360 (61,2)	360-517 (31,6)	517	1,6
п/ц рапса	224	4,7	333	224-364 (60,9)	364-515 (30,7)	515	1,7

Как видно из таблицы 1, образцы полуцеллюлозы льна и рапса обладают высокой термостойкостью (Т_н=223°С и Т_н=224°С). Это связано в первую очередь с природой самого волокна и наличием лигнина, которая замедляет процесс термического разложения [8]. Результат термического анализа показал, что полуцеллюлозу из льна и рапса можно использовать в качестве сырья для получения дорожных стабилизирующих добавок которая не меняет свои свойства в процессе изготовление щебеночно-мастичного асфальтобетона [9].

Выводы

Электронно-микроскопическое исследование показало определенные различия в морфологической структуре волокон целлюлоз из рапса и льна. На образцах травяной полуцеллюлозы наблюдается сложная морфологическая структура волокон, состоящая из более ее тонких образований с поперечными размерами, кроме того на волокнах целлюлозы из рапса выявлены поры с размерами 0,9 - 3,2 мкм, что свидетельствует о более развитой её поверхности.

В результате термогравиметрическим анализа выявлено, что образцы полуцеллюлозы из льна и рапса обладают высокой термостойкостью, которое позволяет предотвратить обгорание волокон при попадание на горячий инертный материал.

Литература:

1. Электронный ресурс, Щебеночно-мастичный асфальтобетон, http://informavtodor.ru/media/price_2.doc

2. Ачисон, Дж., Палп энд Пейпа. 7, 125-131 (1995).

3. Н.П. Григорьева, О.К. Нугманов, Д.С. Нусинович, В.Ф. Сопин, Н.А. Лебедев, Вестник Казанского технологического университета, 3, 2011. 165-169 (2011)

4. Н.П. Григорьева, И.Н. Галимуллин, О.К. Нугманов, Н.А. Лебедев, Лутфуллин Р.Р. , Вестник Казанского технологического университета, 14, 2014. 362-367 (2014)

5. Пат. РФ 2343240 (2009)

6. И.Н. Галимуллин, Н.Ю. Башкирцева, Н.А. Лебедев, О.К. Нугманов, Вестник Казанского технологического университета, 8, 2014. 267-280 (2014)

7. В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская, Химия древесины и синтетических полимеров, 355-357 (1999)

8. В.М. Никитин, А.В. Оболенская, Химия древесины и целлюлозы, 276-279 (1978)

9. ГОСТ 31015-2002, Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон щебеночно-мастичные. Технические условия [текст]. – 2003-05-01. Москва , 2003, 4с.