Влияние длительного естественного старения бумаги на ее свойства и термическую устойчивость

Введение. В процессе естественного старения в целлюлозных материалах происходят процессы, приводящие к изменению свойств и трансформации структуры материала. Исследование физико-химических превращений в бумаге естественного старения, их влияния на термическую стабильность и пожароопасные свойства материала имеют ограниченный характер.

Цель исследования. Установление физико-химических свойств и термической устойчивости бумаги естественного старения.

Задачи:

• изучить физико-химические свойства бумаги различного периода издания (1946–2020 гг.);
• провести оценку термических характеристик бумаги методами термического анализа с установлением кинетических параметров процесса терморазложения, а также характеристик тепловыделения.

Методы исследования. Исследование проводилось для образцов бумаги различного года издания (1946–2020 гг.). Для исследования задействованы ИК-Фурье спектрометр Bruker, а также методы термического анализа.

Результаты и их обсуждение. По результатам исследования установлено, что в процессе старения бумаги образуются продукты гидролизной дестабилизации лигноуглеводных компонентов с нарушением морфологической структуры материала (снижение плотности до 20 %).

При пиролизе для бумаги естественного старения установлено смещение участка максимальной скорости разложения в низкотемпературную область. Наибольшее снижение энергии активации (до 450 °С) получено для бумаги 1946 г. (Eа = 92,9–185,8 кДж/моль). Термоокислительное разложение бумаги естественного старения на стадии 160…450 °С характеризуется более значительной потерей массы (до 48 %). Установлено расширение температурных границ стадии окисления угольного остатка для пиролиза до 35, а для термоокислительного разложения до 45 %, что способствует повышению общего тепловыделения до 47 %.

Выводы. Результаты свидетельствуют о значительной потере химической и термической устойчивости бумаги в результате естественного старения с протеканием гидролизной дестабилизации лигноуглеводного комплекса. Установлены физико-химические изменения, характерные для бумаги естественного старения, нарушение ее морфологической структуры. Стадия окисления угольного остатка характеризуется расширением температурных границ окислительной реакции, имеющей значительный экзотермический эффект.

1. Alén R. Manufacturing cellulosic fibres for making paper: a historical perspective // Technological Transformation in the Global Pulp and Paper Industry 1800–2018 / Särkkä T., Gutiérrez-Poch M., Kuhlberg M. (eds.). Springer, Cham. Vol. 23. DOI: 10.1007/978-3-319-94962-8_2

2. Муллина Э.Р., Лыгина Е.Г., Ершова О.В., Пинчукова К.В. Исследование влияния химического состава целлюлозы на физико-механические свойства бумаги // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 9. С. 56–58.

3. Korolchenko D., Pizhurin A. Simulating operational control of production in lumber house building businesses // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. P. 00084. DOI: 10.1051/matecconf/201711700084

4. Корольченко Д.А., Покровская Е.Н., Портнов Ф.А., Кобелев А.А. Дымообразующая способность и токсичность продуктов сгорания древесных материалов при поверхностном модифицировании элементоорганическими соединениями // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. № 10. С. 40–45.

5. Proceedings of the 9th International Conference on Wood & Fire Safety 2020 / Osvaldova L.M., Markert F., Zelinka S.L. (ed.). Springer Cham., 2020. 480 p. DOI: 10.1007/978-3-030-41235-7

6. Корольченко Д.А., Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справоч. в 2 ч. / 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1. М. : Пожнаука, 2004. 713 с.

7. Лаптев А.Б., Николаев Е.В., Колпачков Е.Д. Термодинамические характеристики старения полимерных композиционных материалов в условиях реальной эксплуатации // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3. (52). С. 80–88. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-80-88

8. Заиков Г.Е. Старение, стабилизация и горение полимеров и композитов. О приоритетах в исследованиях // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2010. Т. 53. Вып. 12. С. 143–145.

9. Zaikov G.E., Buchachenko A.L., Ivanov V.B. Aging of polymers, polymer blends and polymer composites. N.Y. : Nova Science Publ., 2002. Vol. 1. 258 p.

10. Эмануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения полимеров. М. : Наука, 1984. 342 с.

11. Заиков Г.Е. Деструкция и стабилизация полимеров. М. : Изд-во МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1993. 248 с.

12. Zaikov G.E. Degradation and Stabilization of Polymers. N.Y. : Nova Sci. Publ., 1999. 296 p.

13. Заиков Г.Е. Почему стареют полимеры? // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 12. С. 48–55.

14. Bausch F., Owusu D.D., Graf J. et al. Shine a light on papyrus: monitoring the aging process // Heritage Science. 2022. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.1186/s40494-022-00687-5

15. Смирнова Е.Г. Влияние состава по волокну на термическую деструкцию бумаги до и после старения // Химия растительного сырья. 2011. № 1. С. 175–178.

16. Sivenkov A.B., Berlin A.A., Mukhamedgaliev B.A., Almenbayev M.М., Makishev Zh.K., Rakhmetulin B.Zh. Fire hazard and fire resistance of wooden structures // Springer Nature Switzerland AG. 2023. Vol. XVI. 269 p. DOI: 10.1007/978-3-031-24074-4.

17. Смирнова Е.Г., Журавлева Н.М., Кизеветтер Д.В., Резник А.С. Перспективы применения хитин-глюканового комплекса Aspergillus Niger в композиции электроизоляционных видов бумаги // Химия растительного сырья. 2019. № 3. С. 315–323.

18. Захаров И.В., Захарова Н.Л., Канарский А.В., Казаков Я.В., Попов А.В., Дулькин Д.А. Повышение устойчивости картона к старению пропиткой биомодифицированным глютеном // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2018. Вып. 222. С. 216–227. DOI: 10.21266/2079-4304.2018.222.216-227

19. Смирнова Е.Г. Воздействие старения на структуру бумаги и составляющих ее волокон // Лесной журнал. 2010. № 3. С. 125–130.

20. Vyazovkin S., Nobuyoshi Koga, Christoph Schick. Handbook of thermal analysis and calorimetry recent advances // Techniques and Applications. 2nd Ed. Elsevier Science. 2018. 800 p.

21. Принцева М.Ю., Чешко И.Д. Термический анализ и инфракрасная спектроскопия газообразных продуктов термической деструкции в экспертном исследовании антиципированной древесины // Пожарная безопасность. 2014. № 3. С. 96–101.

22. Mahdavi Nejad A. Thermal analysis of paper board packaging with phase change material: a numerical study // Journal of Packaging Technology and Research. 2019. Vol. 3 (4). Рр. 181–192. DOI: 10.1007/s41783-019-00060-1

23. Григорьева Н.П., Галимуллин И.Н., Нугманов О.К., Лебедев Н.А., Лутфуллин Р.Р. Идентификация структуры травяной целлюлозы // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 14. С. 362–366.

24. Jingjing Xia, Yanmei Xiong, Shungeng Min, Jinyao Li. A review of recent infrared spectroscopy research for paper // Applied Spectroscopy Reviews. 2022. Vol. 58. Issue 10. Pp. 1–17. DOI: 10.1080/05704928.2022.2142939

25. Mehdi El Moustaqim, Abderrahmane El. Kaihal, Marouani M., Men-la-yakhaf S., Taibi M. , Saloua Sebbahi et al. Thermal and thermomechanical analyses of lignin // Materials Science, Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2018. Vol. 9. Pp. 63–68. DOI: 10.1016/J.SCP.2018.06.002

26. Деркачева О.Ю., Ишанходжаева М.М., Федоров А.В. Экспериментальное и теоретическое исследование ИК-спектров лигнинов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика и химия. 2018. Т. 5 (63). Вып. 2. C. 78–85. DOI: 10.21638/11701/spbu04.2018.201

27. Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Fire behavior and fire protection in timber buildings // Springer Series in Wood Science, Springer Dordrecht. 2014. Vol. IX. 290 р. DOI: 10.1007/978-94-007-7460-5