Celulózové mikročástice z juty

Hafiz Shahzad Maqsood, M.Sc.

Doctoral thesis

Cellulose Micro Particles from Jute

Abstract:

Jute is an important natural fiber which has a great potential to produce multipurpose products in daily routine life. Unprocessed raw fiber is being utilized as an input source to textile sector for products with high mechanical properties. Jute is one of the longest and most commonly used natural fibers for various technical applications. It is obtained from the inner bark of the plant's stem. Jute is being known as Golden Fiber due to its golden and silky shine. These fibers are composed of the plant materials like cellulose (major component of plant fiber) and lignin (major components of wood). In this specific study, inexpensive jute fibrous waste has been utilized to extract the cellulose particles. Oxidation of cellulosic materials is required in many fields like textile processing, natural fiber reinforced composites and medical utilization etc. In present study, jute fibers were treated with ozone gas to remove lignin for further utilization of these oxidized fibers. This study was designed to explore the possibility of ozone treatment as a greener oxidation process of jute fibers. Ozone gas was being used for the treatment of jute fibers for different time periods in a humid atmosphere. Several characterization techniques, namely physical appearance, fiber mechanical properties, copper number, Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, Wide-angle X-ray diffraction (WAXD), scanning electron microscopy (SEM), moisture regain percentage and lightness values (L) were used to assess the effect of ozone treatment on jute fibres. Results showed that fiber tensile properties weaken gradually as a function of ozone treatment time and surface functional groups alter accordingly. Physically the fiber bundles were split into brittle single fibers and the lightness value increased from brownish shade to lighter colour. It was clear that physical properties of jute fibers were degraded drastically after certain time of treatment and chemical properties were changed with the change in functional groups present in the fiber morphology. Ozone degrades lignin and slightly solubilizes the hemicellulose fraction, improving resultant fiber morphology for further use. It was concluded in this research that ozonation is a very good and greener substituent of chemical oxidation of cellulose fibers especially jute. In subsequent step, untreated, chemical (alkali) and ozone pre-treated jute fibers were hydrolyzed by cellulase enzymes for separation of longer jute micro crystals (JMC). The influence of non-cellulosic contents on the enzyme hydrolysis and morphology of obtained micro crystals was presented. Later, jute micro crystals were incorporated into poly (lactic acid) matrix to prepare composite films by solvent casting. The reinforcement behavior was evaluated from tensile tests, dynamic mechanical analysis, and differential scanning calorimetry. In the end, a good level of agreement for maximum reinforcement was confirmed at certain percentage of loading of JMC when compared with predicted values from different mechanical models. Quadratic regression was applied to the actual values of tensile modulus of composites corresponding to volume fraction of reinforcement and the obtained prediction model was developed using generalized rule of mixture. This model can be used for the prediction of the system properties.

Abstract:

Juta je důležité přírodní vlákno, které má velký potenciál pro výrobu víceúčelových výrobků v každodenním běžném životě. Nezpracované surové vlákno je využíváno jako vstup v textilním odvětví pro produkty s dobrými mechanickými vlastnostmi. Juta je jedním z nejdelších a nejčastěji používaných přírodních vláken pro různé technické aplikace. Získává se z vnitřních vrstev stonku rostliny. Juta je známa jako "zlaté vlákno" díky své zlatému odstínu a hedvábnému lesku. Vlákna juty se skládají z rostlinných materiálů jako je celulóza (hlavní složka rostlinných vláken) a ligninu (hlavní složky dřevní hmoty). V této konkrétní studii byl použit vláknitý odpad juty k extrakci částic celulózy. Oxidace celulózových materiálů je důležitá v mnoha oblastech např. při zpracování textilií, kompozitních materiálů z přírodních vláken a využití v lékařství atd. V této studii jutová vlákna byla vystavena účinku ozónu pro odstranění ligninu k dalšímu využití takto oxidovaných vláken. Tato studie byla navržena tak, aby bylo možné zkoumat možnost úpravy ozónem jako ekologičtější oxidační proces jutových vláken. Ozón byl používán k úpravě jutových vláken po různou dobu expozice a to za přítomnosti vody. Získané vlastnosti jutových vláken byly analyzovány pro posouzení účinku ozónu pomocí např. změn fyzikálních vlastností, mechanických vlastností vláken, měďného čísla, Fourier Transform Infrared (FTIR) spektroskopie, širokoúhlé rentgenové difrakce (WAXD), rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), procenta vlhkosti a hodnoty jasu vzorků (L). Výsledky ukázaly, že pevnost v tahu vláken postupně klesá v závislosti na době zpracování a dochází také ke změnám funkčních skupin v povrchu účinkem ozónu. Ze svazků vláken se oddělily jednotlivé vláken a došlo k zesvětlení nahnědlého odstínu vláken. Je jasné, že fyzikální vlastnosti jutových vláken se drasticky mění po expozici ozónu. Mění se i chemické vlastnosti jutových vláken, což se projevuje změnami funkčních skupin ve vlákně. Ozón degraduje lignin a mírně napadá frakce hemicelulózy, což má za následek zlepšení výsledné morfologie vláken pro další použití. Z provedeného výzkumu plyne, že ozonizace je velmi dobrá a ekologičtější náhrada chemické oxidace celulózových vláken, zejména juty. V následujícím kroku jsou neupravená, chemicky (alkalicky) a ozónem opravená vlákna juty hydrolyzována celulázovými enzymy pro separaci celulózových mikrokrystalů z juty (JMC). Byl prezentován vliv necelulózových složek na enzymovou hydrolýzu a morfologii získaných mikrokrystalů. Následně byly mikrokrystaly juty začleněny do matrice z kyseliny polymléčné pro přípravu kompozitní fólie litím. Chování výztuže bylo hodnoceno na základě zkoušky pevnosti v tahu, dynamické mechanické analýzy a diferenční skenovací kalorimetrie. Byla potvrzena dobrá míra shody mezi zvýšením pevnosti kompozitu přídavkem JMC a predikovanými hodnotami z různých mechanických modelů. Kvadratická regrese byla aplikována na aktuální hodnoty modulu pružnosti kompozitu v závislosti na objemu frakce výztuže a pomocí zobecněného pravidla směsi byl získán predikční model. Tento model lze využít pro predikci vlastností kompozitního systému.

Keywords

Celulóza, Enzymatická hydrolýza, Juta, Ozón, Oxidace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 5. 4. 2017
• Supervisor: Ing. Jana Salačová, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering