Celuloza microfibrilată vs. silicea fumurie: caracteristici și aplicații

Celuloza microfibrilată (MFC) și silicea fumurie sunt ambele utilizate pentru controlul reologiei sistemelor lichide, cum ar fi tixotropia și stabilitatea, și pot fi utilizate în cadrul aceluiași domeniu de aplicații oferind proprietăți similare. Cu toate acestea, există, de asemenea, diferențe profunde între cele două. De exemplu, în cazul în care MFC este un produs natural derivat din materii prime pe bază de celuloză, silicea fumurie hidrofilă nativă este un dioxid de siliciu amorf, coloidal, preparat printr-un proces de hidroliză la flacără. Așadar, de ce două produse atât de diferite, la prima vedere, pot fi folosite în aplicații similare? În această postare pe blog, voi intra mai mult în detalii despre cei doi aditivi multifuncționali și voi discuta modul în care asemănările și diferențele lor pot afecta proprietățile aplicației.

Figura 1. Silice fumurie hidrofilă (DC 98%, stânga) și MFC (DC 2% în apă, dreapta).

Cum sunt caracteristicile materiale ale celor două produse?
Silicea fumurie este considerată un material unic datorită caracteristicilor neobișnuite ale particulelor sale. Structura sa primară constă în agregate ramificate formate prin fuziunea particulelor sferice neporoase de SiO2 prin hidroliză la peste 1000°C. La răcire, agregatele se întrepătrund mecanic pentru a forma aglomerate (structuri terțiare). Din cauza diametrelor mici ale particulelor primare și a structurii deschise a aglomeratelor, silicea fumurie are o suprafață foarte mare. Este o pulbere ușoară, pufoasă, cu aspect alb și este utilizată în numeroase aplicații și într-o varietate de industrii (figura 1, stânga).
MFC se prezintă de obicei sub formă de suspensie apoasă și se obține prin fibrilarea longitudinală a fibrelor de celuloză, dând o rețea tridimensională avansată de microfibrile de celuloză cu o suprafață mare (figura 1, dreapta). Cu microfibrile de celuloză care au diametre chiar și de ordinul nanometrilor și lungimi de ordinul micrometrilor, MFC contribuie la rezistența materialelor și conferă o nouă dimensiune de stabilitate diverselor formulări. Cum pot funcționa în mod similar în aplicații natura particulelor de silice fumurie și microfibrilele lungi și subțiri de MFC?

Figura 2. Microscopia optică a 0,65% MFC (stânga, Exilva by Borregaard) și silice fumurie (dreapta) în PEG 400. Mărire de 20x (contrast de fază).

Raportul mare dintre suprafață și masă atât pentru silicea fumurie, cât și pentru MFC determină interacțiuni intra- și interparticulare intense. Silicea fumurie nativă are grupuri silanol (Si-OH) pe suprafața sa, care este similară cu grupul funcțional hidroxil C-OH de pe fibrilele de MFC. Ambele grupe funcționale fac ca materialele să fie hidrofile. În consecință, atât silicea, cât și MFC pot fi umezite de apă. Figura 2 arată modul în care ambele materiale formează rețele tridimensionale mari de particule/fibrile insolubile cu grupe foarte reactive care pot realiza legături de hidrogen. Acesta este motivul pentru care atât silicea fumurie cât și MFC au efecte reologice excelente.

Diferențe de utilizare?

Atât silicea fumurie hidrofilă cât și MFC sunt aditivi reologici primari utilizați pentru controlul reologiei și al tixotropiei sistemelor lichide, cum ar fi lianții și polimerii. Dispersia adecvată în cadrul sistemului lichid este crucială pentru construirea structurii reologice și poate fi mai solicitantă din punct de vedere al timpului și energiei pentru silicea sub formă de pulbere uscată decât pentru MFC apos.
Capacitatea de a cuantifica interacțiunile de legătură H este necesară pentru a oferi predicții ale structurii rețelei de silice și MFC într-un anumit lichid. Cu toate acestea, având în vedere efectul de îngroșare într-un lichid cu o puternică legătură de hidrogen (foarte polar), MFC este cel mai eficient aditiv. Pentru silicea fumurie, un strat de solvatare în jurul particulelor de silice conduce la forțe de solvatare repulsive care suprimă efectul de îngroșare, după cum au demonstrat Raghavan și colab. Acest lucru este bine ilustrat prin dispersarea MFC și a silicei fumurii în PEG 400 (60% în apă): Vâscozitatea complexă a probei de MFC a fost de 69 Pas, față de 0,03 Pas pentru proba de silice (a se vedea figura 3). Din punctul meu de vedere, structura de rețea continuă deja hidratată și foarte încâlcită a MFC este cea care îl face mai rezistent la forțele de solvatare. Mai mult decât atât, în timp ce MFC funcționează independent, se obișnuiește să se utilizeze aditivi secundari în plus față de silicea fumurie pentru a spori vâscozitatea la forfecare redusă, acționând ca o punte între particule.

Figura 3. MFC (stânga) și silice fumurie (dreapta), 0,65% conc. w/w, dispersate în în PEG 400 (60% în apă) la 1500 rpm timp de 30 de minute.

Considerând lichidele cu capacitate limitată de legătură de hidrogen, silicea fumurie ar putea avea avantaje față de MFC: legăturile dintre particule de silice pot duce la floculare și formarea de gel, în timp ce rețeaua MFC poate colapsa și precipita. Un schimb de solvenți poate crește compatibilitatea MFC apoase cu lichidele slab polare.
Silicea și MFC sunt utilizate ca agenți antisedimentare, agenți de îngroșare și antiaglomerare, precum și pentru întărirea filmelor sau compozitelor. Domeniile tipice de aplicare pentru ambele sunt vopselele și acoperirile, adezivii, cernelurile de tipar, protecția plantelor, produsele de îngrijire personală și de îngrijire a casei. Datorită indicelui său scăzut de refracție, silicea fumurie este preferată în aplicațiile transparente, în timp ce MFC poate crește opacitatea. În funcție de piață și de aplicație, sunt disponibile produse de silice fumurie cu diferite dimensiuni ale particulelor primare și diferite suprafețe Brunauer-Emmett-Teller (BET). În mod similar, suprafața disponibilă și densitatea grupurilor funcționale ale produselor MFC pot fi adaptate pentru a se potrivi aplicațiilor relevante.

Cum rămâne cu eficacitatea?

Ca exemplu de aplicare a unui strat de acoperire, silice fumurie hidrofilă și MFC (Exilva F 10%, Borregaard AS) au fost dispersate într-o dispersie apoasă de copolimer acrilic/tiren, care este utilizat în lacuri de supraimprimare și cerneluri lichide pe bază de apă (NeoCryl A-2092, DSM Coating Resins). MFC a fost un agent antiaglomerare mult mai eficient decât silicea fumurie în acest sistem (a se vedea tabelul 1). Cu 50% apă în cadrul sistemului, MFC permite construirea unei structuri reologice dependente de forfecare și de timp mai eficient decât silicea fumurie. Flexibilitatea rețelei foarte încâlcite de MFC permite o reconstrucție foarte rapidă a structurii (creșterea vâscozității) la încetarea impactului de forfecare. MFC realizează o rezistență la încovoiere la fel de mare ca și silicea la un nivel mai mic de 1/10, ceea ce arată cu siguranță un potențial pentru MFC în aplicațiile de acoperire a hârtiei pe bază de apă.

Tabelul 1. Teste de rezistență la cădere a dispersiilor acrilice cu MFC și silice precipitată.
Rezistența la încovoiere a dispersiilor a fost testată cu bara Leneta Sag cu un interval de 4-24 mils.

*Încovoiere în dungă

MFC sună interesant, deci unde pot merge de aici?

Bazat pe suprafața mare acoperită cu grupe active de suprafață disponibile pentru legături de hidrogen inter- și intra-moleculare, MFC poate oferi o alternativă viabilă la silicea fumurie. În multe cazuri, la niveluri de utilizare mai mici. Mai mult, diferențele dintre proprietățile fizice de rețea ale celor două materiale pot duce la descoperiri noi și interesante, cum ar fi noi proprietăți ale produselor finale polimerizate care nu sunt discutate aici. În produsele cosmetice, ca și în cazul silicei fumurii, s-a demonstrat un efect de matitate (care duce, de exemplu, la un efect de focalizare moale) și pentru MFC (a se vedea articolul nostru anterior de pe blog privind aplicațiile cosmetice ale MFC); Cum va influența textura MFC alte proprietăți ale aplicației, cum ar fi, de exemplu, senzația pielii? Concluzia este că, în mai multe aplicații: MFC oferă o alternativă naturală și ecologică la silicea fumurie. Oportunitățile de inovare sunt în mâinile dumneavoastră.

.