Mikrofibrillált cellulóz vs. füstölt szilícium-dioxid: jellemzők és alkalmazások

A mikrofibrillált cellulózt (MFC) és a füstölt szilícium-dioxidot egyaránt használják a folyékony rendszerek reológiájának, például a tixotrópiának és a stabilitásnak a szabályozására, és ugyanazon alkalmazási területen belül hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. A kettő között azonban mélyreható különbségek is vannak. Például, ahol az MFC egy cellulóz alapú nyersanyagokból származó természetes termék, a natív hidrofil füstölt szilícium-dioxid egy lánghidrolízissel előállított amorf, kolloid szilícium-dioxid. Miért lehet tehát két ilyen, első pillantásra eltérő terméket hasonló alkalmazásokban használni? Ebben a blogbejegyzésben részletesebben foglalkozom a két multifunkcionális adalékanyaggal, és megvitatom, hogy hasonlóságaik és különbségeik hogyan befolyásolhatják az alkalmazási tulajdonságokat.

1. ábra. Hidrofil füstölt szilícium-dioxid (DC 98%, balra) és MFC (DC 2% vízben, jobbra).

Milyenek a két termék anyagi jellemzői?
A füstölt szilícium-dioxidot szokatlan részecskejellemzői miatt egyedülálló anyagnak tekintik. Elsődleges szerkezete elágazó aggregátumokból áll, amelyek nem porózus gömb alakú SiO2-részecskék több mint 1000°C-os hidrolízissel történő összeolvadásával jönnek létre. Lehűléskor az aggregátumok mechanikusan összefonódnak, és agglomerátumokat (harmadlagos szerkezeteket) alkotnak. Az elsődleges részecskék kis átmérője és az agglomerátumok nyitott szerkezete miatt a füstölt szilícium-dioxid nagyon nagy felülettel rendelkezik. Ez egy könnyű, pelyhes, fehér megjelenésű por, amelyet számos alkalmazásban és számos iparágban használnak (1. ábra, balra).
A MFC általában vizes szuszpenzió formájában érkezik, és a cellulózszálak hosszanti fibrillálásával készül, így a cellulóz mikrofibrillák fejlett, nagy felülettel rendelkező háromdimenziós hálózata jön létre (1. ábra, jobbra). A nanométeres átmérőjű és mikrométeres hosszúságú cellulózmikrofibrilláknak köszönhetően az MFC hozzájárul az anyag szilárdságához, és a stabilitás új dimenzióját adja a különböző készítményeknek. Hogyan működhet hasonlóan a füstölt szilícium-dioxid szemcsés jellege és az MFC hosszú, vékony mikrofibrillái az alkalmazásokban?

2. ábra. Optikai mikroszkópia 0,65%-os MFC (balra, Exilva by Borregaard) és füstölt szilícium-dioxid (jobbra) PEG 400-ban. 20x nagyítás (fáziskontraszt).

A nagy felület-tömeg arány mind a füstölt szilícium-dioxid, mind az MFC esetében intenzív intra- és interpartikuláris kölcsönhatásokat okoz. A natív füstölt szilícium-dioxid felületén szilanol (Si-OH) csoportok találhatók, amelyek hasonlóak az MFC-fibrillák C-OH hidroxil funkciós csoportjához. Mindkét funkciós csoport hidrofillé teszi az anyagokat. Következésképpen mind a szilícium-dioxid, mind az MFC vízzel nedvesíthető. A 2. ábra mutatja, hogy mindkét anyag nagy háromdimenziós hálózatot alkot oldhatatlan részecskékből/fibrillákból, amelyek hidrogénkötésre képes, erősen reaktív csoportokkal rendelkeznek. Ez az oka mind a füstölt szilícium-dioxid, mind az MFC kiváló reológiai hatásának.

Különbségek a felhasználásban?

A hidrofil füstölt szilícium-dioxid és az MFC egyaránt elsődleges reológiai adalékanyagok, amelyeket folyékony rendszerek, például kötőanyagok és polimerek reológiájának és tixotrópiájának szabályozására használnak. A megfelelő diszperzió a folyékony rendszerben döntő fontosságú a reológiai struktúra felépítéséhez, és a száraz porított szilícium-dioxid esetében idő- és energiaigényesebb lehet, mint a vizes MFC esetében.
A H-kötési kölcsönhatások számszerűsítésének képessége szükséges ahhoz, hogy előrejelzéseket lehessen adni a szilícium-dioxid és az MFC hálózati szerkezetére egy adott folyadékban. Figyelembe véve azonban a sűrítő hatást egy erősen hidrogénkötő (erősen poláros) folyadékban, az MFC a leghatékonyabb adalékanyag. A füstölt szilícium-dioxid esetében a szilícium-dioxid-részecskék körüli szolvatációs réteg taszító szolvatációs erőkhöz vezet, amelyek elnyomják a sűrítő hatást, amint azt Raghavan és munkatársai kimutatták. Ezt szépen szemlélteti az MFC és a füstölt szilícium-dioxid PEG 400-ban (60% vízben) történő diszpergálása: Az MFC minta komplex viszkozitása 69 Pas volt, míg a szilícium-dioxid minta esetében 0,03 Pas (lásd a 3. ábrát). Véleményem szerint az MFC már hidratált és nagymértékben összefonódott folyamatos hálózati szerkezete az, ami ellenállóbbá teszi a szolvatációs erőkkel szemben. Ráadásul, míg az MFC önállóan működik, addig a füstölt szilícium-dioxid mellett másodlagos adalékanyagokat is szoktak használni, amelyek a részecskék közötti hídként működve növelik az alacsony nyírási viszkozitást.

3. ábra. MFC (balra) és füstölt szilícium-dioxid (jobbra), 0,65% konc. w/w, diszpergálva PEG 400-ban (60% vízben) 1500 rpm-en 30 percig.

A korlátozott hidrogénkötési képességű folyadékokat figyelembe véve a füstölt szilícium-dioxidnak előnyei lehetnek az MFC-vel szemben: A szilícium-dioxid részecskék közötti kötései flokkulációhoz és gélképződéshez vezethetnek, míg az MFC hálózata összeomolhat és kicsapódhat. Az oldószercsere növelheti a vizes MFC kompatibilitását az alacsony pólusú folyadékokkal.
A fumírozott szilícium-dioxidot és az MFC-t ülepedésgátlóként, sűrítő és lötyögésgátlóként, valamint filmek vagy kompozitok erősítésére használják. Mindkettő tipikus alkalmazási területei a festékek és bevonatok, ragasztók, nyomdafestékek, növényvédelem, testápoló és háztartási termékek. Alacsony törésmutatója miatt a füstölt szilícium-dioxidot előnyben részesítik az átlátszó alkalmazásokban, míg az MFC növelheti az átlátszatlanságot. A piactól és az alkalmazástól függően különböző elsődleges szemcseméretekkel és különböző Brunauer-Emmett-Teller (BET) felülettel rendelkező füstölt szilícium-dioxid termékek állnak rendelkezésre. Hasonlóképpen, az MFC termékek elérhető felülete és funkciós csoport sűrűsége a megfelelő alkalmazásokhoz igazítható.

Mi a helyzet a hatékonysággal?

Bevonási alkalmazási példaként hidrofil füstölt szilícium-dioxidot és MFC-t (Exilva F 10%, Borregaard AS) diszpergáltak egy akril/sztirol kopolimer vizes diszperzióban, amelyet felülnyomó lakkokban és vízalapú folyékony festékekben (NeoCryl A-2092, DSM Coating Resins) használnak. Az MFC ebben a rendszerben jóval hatékonyabb megereszkedésgátló szer volt, mint a füstölt szilícium-dioxid (lásd az 1. táblázatot). A rendszerben lévő 50% vízzel az MFC a füstölt szilícium-dioxidnál hatékonyabban teszi lehetővé a nyírástól és időtől függő reológiai szerkezet kialakítását. A nagymértékben összefonódott MFC-hálózat rugalmassága lehetővé teszi a szerkezet nagyon gyors újjáépítését (növekvő viszkozitás) a nyíróhatás megszűnésekor. Az MFC a szilícium-dioxiddal azonos mértékű megereszkedési ellenállást ér el kevesebb, mint 1/10-ed részarány mellett, ami egyértelműen mutatja az MFC potenciálját a vízbázisú papírbevonatokban.

1. táblázat. MFC-vel és kicsapott szilícium-dioxiddal készült akril-diszperziók megereszkedési ellenállási vizsgálatai.
A diszperziók megereszkedési ellenállását Leneta Sag rúddal vizsgáltuk 4-24 mils tartományban.

*Megereszkedés a csíkban

A MFC érdekesen hangzik, merre tovább?

A molekulák közötti és molekulán belüli hidrogénkötésekhez rendelkezésre álló felületaktív csoportokkal borított nagy felület alapján az MFC életképes alternatívája lehet a füstölt szilícium-dioxidnak. Sok esetben alacsonyabb felhasználási szinteken. Ezen túlmenően a két anyag fizikai hálózati tulajdonságainak különbségei új és izgalmas felfedezésekhez vezethetnek, például a kikeményített végtermékek itt nem tárgyalt új tulajdonságaihoz. A kozmetikumokban a füstölt szilícium-dioxidhoz hasonlóan az MFC esetében is kimutatták a mattító hatást (ami például lágy fókuszhatást eredményez) (lásd az MFC kozmetikai alkalmazásairól szóló korábbi blogbejegyzésünket); Hogyan befolyásolja majd az MFC textúrája az alkalmazás egyéb tulajdonságait, például a bőrérzetet? A lényeg az, hogy számos alkalmazásban: Az MFC természetes és környezetbarát alternatívát kínál a füstölt szilícium-dioxiddal szemben. Az innovációs lehetőségek az Ön kezében vannak.