Mikro/nanofibrili za selulosi zenye lignini (lignin-containing cellulose micro/nanofibrils, LCMNF), katika utafiti huu, ni nyenzo ya kuimarisha ya lignoselulosi yenye muundo wa fibrili inayopatikana kutoka mabaki yasiyopauka ya uzalishaji wa mirija ya karatasi na kutumiwa kuimarisha gundi ya silikati ya sodiamu isiyo na formaldehidi. Watafiti walibadilisha mabaki ya mirija ya karatasi kuwa LCMNF kwa matibabu ya awali ya alkali na ufibrilishaji wa kimitambo, wakasaidia mtawanyiko kwa PEG 400, na wakaongeza fibrili hizo katika gundi ya kibiashara ya silikati ya sodiamu kwa viwango vya %0,5, %1,0, %1,5 na %2,0. Mifumo hiyo ilitathminiwa kwa FTIR, hadubini ya macho, reolojia ya mzunguko na ya mtetemo, jaribio la shear la kiungo cha lap moja, na uchambuzi wa uso wa kuvunjika.

Kadiri kiasi cha LCMNF kilivyoongezeka, ndivyo mnato wa gundi, mkazo wa kuanza kutiririka, moduli ya uhifadhi, na upinzani wa kimuundo dhidi ya ulemavu vilivyoongezeka. Hata hivyo, mifumo yote iliendelea kuonyesha tabia ya shear-thinning inayobainishwa na kupungua kwa mnato kadiri kasi ya shear inavyoongezeka. Sifa hii inawakilisha uwiano wa kireolojia unaoweza kuruhusu gundi kubaki thabiti kimuundo chini ya mkazo mdogo wa kimitambo huku ikiweza kutiririka katika michakato yenye shear kubwa kama vile kusukuma, kuchanganya au kueneza.

Matokeo ya kimitambo yalitegemea sana mkusanyiko. %0,5 LCMNF iliongeza elongation wakati wa kuvunjika kwa takriban %40, ilhali %1,0 LCMNF iliongeza moduli ya shear kwa takriban %41. Viwango vyote viwili viliongeza nishati iliyofyonzwa hadi kuvunjika ikilinganishwa na gundi safi ya silikati ya sodiamu huku vikidumisha uimara wa shear. Kinyume chake, katika %1,5 na %2,0 LCMNF, aglomereshini ya fibrili na kutofanana kwa mikrostruktura viliongezeka na uimara wa shear ukapungua.

Katika hali zilizochunguzwa, %1,0 LCMNF ilitambuliwa kuwa mfumo wenye uwiano bora zaidi wakati muundo wa kireolojia, ugumu, uimara wa shear, uwezo wa ulemavu, ufyonzaji wa nishati na mofolojia ya kuvunjika vilipotathminiwa kwa pamoja. Hata hivyo, majaribio ya kimitambo hayakufanywa kwenye bidhaa ya mwisho ya mrija wa karatasi bali kwenye viungo vya lap moja vya mbao za Pinus sp. Kwa hiyo, utafiti unaonyesha kuwa mfumo wa %1,0 LCMNF una matumaini kwa uzalishaji wa mirija ya karatasi; bado haujathibitisha utendaji wa bidhaa ya mwisho.

LCMNF ni nini na kwa nini hutumika katika gundi ya silikati ya sodiamu?

LCMNF ni mfumo wa fibrili za lignoselulosi ambamo nyuzi za selulosi hugawanywa kuwa fibrili za kiwango cha mikro na nano huku sehemu ya lignini katika malighafi ikihifadhiwa; katika utafiti huu, LCMNF iliyopatikana kutoka mabaki ya uzalishaji wa mirija ya karatasi ilitumika kama kiimarishaji kinachoweza kutoa mtandao halisi wa fibrili, uhamishaji wa mkazo, ukengeukaji wa ufa na uundaji wa madaraja ya fibrili ndani ya matriksi dhaifu ya silikati ya sodiamu.

Faida na kikomo cha gundi ya silikati ya sodiamu

Gundi za silikati ya sodiamu ni muhimu viwandani kwa sababu ya gharama yake ndogo, historia ndefu ya matumizi katika bidhaa za karatasi, ustahimilivu wa kemikali na kutokuwa na formaldehidi. Kwa upande mwingine, ugumu wa mtandao wa silikati isokaboni unaweza kusababisha udhaifu, uwezo mdogo wa ulemavu na ufyonzaji mdogo wa nishati kabla ya kuvunjika katika gundi iliyokauka.

Kwa hiyo, lengo la utafiti si kuifanya gundi iwe “nguvu” zaidi pekee. Muundo unaotakiwa ni gundi ya kompoziti inayodumisha mtiririko wa kutosha wakati wa matumizi, inayozuia kutiririka kupita kiasi kwa tabaka baada ya matumizi, na inayoweza kutumia nishati zaidi wakati wa kuvunjika.

Uhusiano na uchumi duara

Malighafi ya LCMNF si selulosi safi iliyozalishwa upya. Utafiti unachunguza uchakataji upya wa mabaki yasiyopauka yanayotokana na uzalishaji wa mirija ya karatasi. Kubadilisha mabaki haya, baada ya mizunguko ya kawaida ya urejelezaji, kuwa kiimarishaji cha mikro/nanofibrili chenye kazi kunaweza kuunda njia ya matumizi yenye thamani ya juu zaidi inayoweza kurejeshwa katika mnyororo uleule wa uzalishaji.

Kutokuondoa lignini kabisa pia ni muhimu. Chanzo kinajadili kwamba kuhifadhi lignini kuna uwezo wa kupunguza ugumu wa mchakato, matumizi ya kemikali, mahitaji ya nishati na uzalishaji wa taka ikilinganishwa na michakato mikubwa ya upaukaji.

LCMNF iliandaliwaje?

Muundo wa gundi ya kibiashara ya silikati ya sodiamu

Maudhui ya yabisi ya gundi ya kibiashara ya SS iliyotumiwa katika chanzo yaliripotiwa kuwa %55. Bidhaa hiyo ina %8,0–8,5 Na₂O na %25,4–26,7 SiO₂, huku msongamano wake mahususi ukiwa katika kiwango cha 1,36–1,38 g·cm⁻³.

SEM na EDS zilionyesha nini?

Picha za FE-SEM za LCMNF iliyotibiwa kwa PEG 400 zilionyesha mtandao usiofanana lakini uliokuwa umefibrilishwa kwa kiasi kikubwa, wenye fibrili za kiwango cha mikro na nano. Kipenyo cha wastani cha nanofibrili kilichopatikana kutokana na vipimo vya fibrili mia moja tofauti kilikuwa 59,53 ± 14,53 nm.

Uchoraji ramani wa EDS ulionyesha kuwepo kwa maeneo madogo yenye utajiri wa silikoni katika muundo wa fibrili. Silikoni ilihusishwa na mabaki ya gundi ya silikati ya sodiamu iliyotumiwa katika uzalishaji wa awali wa mirija ya karatasi. Matokeo haya yanaonyesha kuwa matibabu ya NaOH yaliondoa sehemu, si yote, ya gundi iliyobaki.

Kulingana na tafsiri ya chanzo, PEG 400 ilichangia kupunguza aglomereshini ya upya kupitia mwingiliano kwenye uso wa fibrili na kizuizi cha kisteriki. Hata hivyo, katika mkusanyiko mkubwa wa LCMNF, msaada huu wa mtawanyiko haukuweza kuzuia kikamilifu mwingiliano wa fibrili–fibrili.

Spektra za FTIR zilionyesha nini?

Uchambuzi wa FTIR ulifanywa katika kiwango cha 4000–500 cm⁻¹, kwa azimio la spektra la 4 cm⁻¹ na skani 64. Bendi pana karibu 3260 cm⁻¹ ilihusishwa na mitetemo ya kunyooshwa ya O–H ya silanoli na vikundi vingine vya hidroksili. Katika mifumo yenye LCMNF, vikundi vya hidroksili vya selulosi, lignini na PEG pia huchangia eneo hili.

Bendi za 2925 na 2855 cm⁻¹ zilihusishwa na kunyooshwa kwa alifati C–H; bendi ya 1744 cm⁻¹ na vikundi vya karbonili visivyounganishwa katika miundo ya hemiselulosi iliyobaki; na eneo la 1645 cm⁻¹ na mitetemo ya ulemavu wa O–H.

Katika maeneo ya takriban 1100 na 955 cm⁻¹, mitetemo ya Si–O–Si, Si–O na Si–OH kutoka kwenye mtandao wa silikati ndiyo iliyotawala. Baada ya kuongezwa kwa LCMNF, mabadiliko ya wasifu katika maeneo haya yalihusishwa na kubadilika kwa mazingira ya mtetemo ya ndani katika matriksi ya silikati kutokana na vipengele vya kikaboni vya LCMNF/PEG. Chanzo hakiwasilishi mabadiliko haya ya spektra kama ushahidi wa moja kwa moja wa mmenyuko mpya wa kovalenti.

Kwa nini hadubini ya macho ni muhimu?

Gundi safi ya SS ilionyesha maeneo meusi na yasiyo ya kawaida ndani ya muundo wa nusu uwazi. Kuongezwa kwa LCMNF kulifanya rangi ya gundi ihamie hatua kwa hatua kuelekea kahawia kwa namna inayolingana na kromofori zinazotokana na lignini.

Muhimu zaidi, idadi na ukubwa wa aglomerati za LCMNF uliongezeka kadiri mkusanyiko ulivyoongezeka. Hasa katika mifumo ya %1,5 na %2,0, makundi ya fibrili ya ndani yalionekana wazi. Mabadiliko haya ya kimofolojia yanaendana na kupungua kwa uimara wa shear kulikoonekana baadaye katika majaribio ya kimitambo.

Reolojia ya gundi hubadilikaje kadiri uwiano wa LCMNF unavyoongezeka?

Kadiri kiasi cha LCMNF kilivyoongezeka, mnato wa gundi ya silikati ya sodiamu katika hali za shear ndogo, mkazo wa kuanza kutiririka na upinzani wa muundo wa elastiki viliongezeka sana; wakati huohuo mifumo yote iliendelea kuonyesha tabia ya shear-thinning inayobainishwa na kupungua kwa mnato kadiri kasi ya shear inavyoongezeka.

Mfano wa Herschel–Bulkley

Katika majaribio ya mzunguko, tabia ya mtiririko iliundwa kwa mlinganyo wa Herschel–Bulkley:

\[ \tau=\kappa\gamma^{\eta}+\tau_0 \tag{1} \]

Hapa \(\tau\) inawakilisha mkazo wa shear (Pa), \(\tau_0\) mkazo wa kuanza kutiririka (Pa), \(\gamma\) kasi ya shear (s⁻¹), \(\kappa\) faharasa ya uthabiti (Pa·sⁿ), na \(\eta\) faharasa isiyo na kipimo ya tabia ya mtiririko. Katika chanzo, alama \(\eta\) hapa ni faharasa ya tabia ya mtiririko, si mnato.

Kuwa na \(\eta<1\) kunaashiria tabia ya pseudoplastiki/shear-thinning, yaani mnato unaoonekana hupungua kadiri kasi ya shear inavyoongezeka.

Kuongezeka kwa mkazo wa kuanza kutiririka kutoka 0,03 Pa hadi 15,95 Pa kunaonyesha kuwa kadiri LCMNF inavyoongezeka, mkazo mkubwa zaidi unahitajika kuanzisha mtiririko. Wakati huohuo, kushuka kwa faharasa ya mtiririko kutoka 0,85 hadi 0,44 kunaonyesha kuwa gundi zenye fibrili nyingi zaidi huendeleza tabia yenye nguvu zaidi ya shear-thinning.

Kwa nini mtandao wa fibrili hudhoofika chini ya shear?

Katika kasi ndogo za shear, migusano ya kimwili na mikunjo kati ya fibrili huunda muundo wa pande tatu ndani ya gundi na kuongeza upinzani wa mtiririko. Kasi ya shear inapoongezeka, fibrili zinaweza kujipanga katika mwelekeo wa mtiririko na sehemu ya migusano ya fibrili–fibrili inaweza kuvunjika. Kwa matokeo hayo, gundi hutiririka kwa urahisi zaidi chini ya shear kubwa.

Katika chanzo, SS/%0,5 LCMNF ilifikia mnato wa 0,24 Pa·s katika takriban 29,77 s⁻¹, ilhali SS/%1,0 LCMNF ilifikia mnato wa karibu kiwango hicho, 0,23 Pa·s, tu katika takriban 168,79 s⁻¹. Mifumo ya %1,5 na %2,0 haikukutana kwa namna hii na mkunjo wa SS safi katika kiwango cha kasi ya shear kilichochunguzwa.

Nishati ya kimitambo inayohitajika kuwezesha mtiririko

Kasi ya angular katika jiometri ya sahani sambamba, katika chanzo, ilihesabiwa kwa:

\[ \gamma=\frac{R\omega}{h} \qquad\Rightarrow\qquad \omega=\frac{\gamma h}{R} \tag{2} \]

uhusiano huo. Nguvu ya mzunguko:

\[ P=M\omega \tag{3} \]

na nishati katika kipindi kifupi cha kipimo:

\[ E=P\Delta t \tag{4} \]

zilifafanuliwa hivyo. Kwa hiyo, nishati ya kimitambo katika nukta ya i ya kipimo:

\[ E_i=M_i\left(\frac{\gamma_i h}{R}\right)\Delta t \tag{6} \]

ilihesabiwa hivyo. \(M_i\) ni torati, \(h\) pengo la sahani, \(R\) radiusi ya sahani, na \(\Delta t\) kipindi cha muda wa kipimo.

SS/%0,5 LCMNF ilifikia mnato wa 0,24 Pa·s kwa ingizo la nishati la 8,53 mJ, ilhali SS/%1,0 LCMNF ilihitaji 308,13 mJ kwa mnato wa karibu sawa wa 0,23 Pa·s. Chanzo kinatoa tofauti hii kuwa takriban mara 36,12. Matokeo yanaonyesha kuwa mnato unaoonekana uliofanana katika mifumo miwili hauwakilishi lazima upinzani uleule wa ndani wa kimuundo.

Tabia ya joto

Jaribio la joto lilifanywa kati ya 20–80 °C, kwa kasi ya kupasha joto ya 2 °C·min⁻¹ na kasi ya shear ya kudumu ya 100 s⁻¹. Mnato wa gundi safi ya SS ulipungua kwanza na kufikia thamani ya chini kabisa ya 0,154 Pa·s katika 30 °C. Katika joto la juu zaidi uliongezeka tena kwa namna inayolingana na upotevu wa maji na upangaji upya/msongamano wa joto katika mtandao wa silikati.

Mifumo yenye LCMNF ilionyesha mnato wa juu kuliko SS safi katika mzunguko wote wa kupasha joto. SS/%2,0 LCMNF yenye mkusanyiko mkubwa zaidi ilifikia 10,581 Pa·s juu ya takriban 64 °C na kuzidi 50 Pa·s katika 80 °C.

Reolojia ya mtetemo: uundaji wa mtandao wa elastiki

Katika skani ya amplitudo, katika ulemavu mdogo, moduli ya uhifadhi \(G'\) ilikuwa kubwa kuliko moduli ya upotevu \(G''\) katika mifumo yote. Kadiri LCMNF ilivyoongezeka, \(G'\) iliongezeka na uwezo wa muundo wa kuhifadhi nishati ya elastiki ukaongezeka.

Mpaka wa eneo la viskoelastiki la mstari (LVER) ulifafanuliwa kama ulemavu ambao \(G'\) hupungua kwa %5 kutoka thamani yake ya awali. Kadiri mkusanyiko wa LCMNF ulivyoongezeka, mpaka huu ulipungua: mtandao wa fibrili ulizidi kuwa mgumu, lakini ukawa nyeti zaidi kwa kuvunjika kwa muundo baada ya kuvuka kikomo cha elastiki.

Katika mifumo hadi %1,5, \(G'\) ilibaki kubwa kuliko \(G''\) katika kiwango cha ulemavu kilichochunguzwa na hakukuwa na nukta ya mtiririko. Katika SS/%2,0 LCMNF, makutano ya \(G'=G''\) yalitokea katika mkazo wa shear wa **34,44 Pa**.

Kigezo cha upotevu na mnato changamano

Kigezo cha upotevu:

\[ \tan\delta=\frac{G''}{G'} \tag{7} \]

huhesabiwa hivyo. \(\tan\delta>1\) huonyesha kutawala kwa tabia ya mnato, ilhali \(\tan\delta<1\) huonyesha kutawala kwa tabia ya elastiki.

Gundi safi ya SS ilionyesha thamani kubwa za \(\tan\delta\) zinazozidi 10³ katika masafa ya chini; hata kwa kuongeza tu %0,5 LCMNF, \(\tan\delta\) ilibaki chini ya 1 katika kiwango chote cha masafa kilichopimwa. Katika mifumo yenye LCMNF nyingi, thamani kwa ujumla zilitulia katika kiwango cha 0,03–0,3.

Mnato changamano:

\[ \eta^{*}= \frac{\sqrt{G'^2+G''^2}}{\omega} \tag{8} \]

ulihesabiwa hivyo. Mifumo yenye LCMNF ilionyesha mnato changamano wa viwango kadhaa juu kuliko SS safi, hasa katika masafa ya chini. Ugunduzi huu unaendana na fibrili kuunda mtandao uliounganishwa unaozuia ulegevu wa kimuundo katika mizani mirefu ya muda.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mpangilio wa jaribio la reolojia

Vipimo vya reolojia vilifanywa kwa rheometer ya Anton Paar MCR 301, kwa jiometri ya sahani sambamba yenye kipenyo cha 25 mm na pengo la sahani la kudumu la 1 mm.

Vipimo vya shear ya kudumu vilifanywa katika 20 °C katika kiwango cha kasi ya shear cha 0,01–1000 s⁻¹. Jaribio la joto lilifanywa kati ya 20–80 °C kwa kasi ya shear ya kudumu ya 100 s⁻¹.

Skani ya amplitudo ilifanywa katika 0,1 Hz na kiwango cha ulemavu cha %0,01–100; skani ya masafa ilifanywa ndani ya LVER katika ulemavu wa kudumu wa %0,1 na kiwango cha masafa ya angular cha 0,1–100 rad·s⁻¹.

Jaribio la shear la kiungo cha lap moja

Majaribio ya kimitambo yalifanywa kwenye sampuli za mbao za Pinus sp. kwa jiometri ya kiungo cha lap moja na mpangilio uliorekebishwa kutoka ASTM D906-20. Kiasi cha kueneza gundi kilikuwa 150 g·m⁻².

Sampuli zilizounganishwa zilipigwa hot press kwa dakika 8 katika 120 °C chini ya shinikizo la 1 MPa, kisha zikawekewa hali katika 20 ± 2 °C na unyevu wa jamaa wa %65 ± 3 hadi uzito wa kudumu.

Kwa kila mfumo, viungo 10 viliandaliwa. Jaribio la kimitambo lilifanywa katika mashine ya majaribio ya ulimwengu wote yenye 20 kN load cell kwa kasi ya crosshead ya 5 mm·min⁻¹.

Uimara wa shear

Uimara wa shear:

\[ f_s=\frac{F_{\max}}{A} \tag{9} \]

ulihesabiwa kwa. \(F_{\max}\) inawakilisha mzigo wa juu kabisa (N), na \(A\) eneo lililounganishwa kwa gundi (mm²). Matokeo yako katika kitengo cha N·mm⁻².

Moduli ya shear

Kutoka sehemu ya mstari ya mkunjo wa mkazo wa shear–strain:

\[ G= \frac{f_2-f_1} {\varepsilon_2-\varepsilon_1} \tag{10} \]

ilihesabiwa. Chanzo kiliamua strain kwa kugawanya uhamisho wa mashine ya jaribio kwa pengo huru la 45 mm.

Strain wakati wa kuvunjika

\[ \varepsilon_b= \frac{\Delta L_b}{L_0} \tag{11} \]

katika usemi huu \(\Delta L_b\) ni uhamisho wakati wa kuvunjika, na \(L_0=45\) mm ni urefu huru wa sampuli.

Nishati hadi kuvunjika

Nishati hadi kuvunjika ilihesabiwa kama eneo chini ya mkunjo wa mkazo wa shear–strain hadi nukta ya kuvunjika:

\[ U_f= \int_{0}^{\varepsilon_b} f_s\,d\varepsilon \tag{12} \]

Chanzo kilitumia mbinu ya trapezoidi kwa ujumuishaji wa namba. Kiasi hiki hakionyeshi tu uimara wa juu kabisa, bali pia kiasi cha nishati ya kimitambo ambacho kiungo kinaweza kufyonza kabla ya kuvunjika.

Kwa nini %1,0 LCMNF ilichaguliwa kuwa mfumo bora zaidi kwa ujumla?

%1,0 LCMNF, kati ya mifumo iliyochunguzwa, iliongeza kwa kiasi kikubwa moduli ya shear na nishati hadi kuvunjika huku ikidumisha uimara wa shear na uwezo wa ulemavu; pia ilionyesha katika reolojia muundo wa fibrili wenye nguvu lakini bado unaoweza kuchakatwa chini ya shear kubwa, pamoja na madaraja ya fibrili yaliyo wazi kwenye nyuso za kuvunjika; katika viwango vya juu vya LCMNF, aglomereshini na kutofanana viliongezeka na kupunguza uimara wa shear.

Faida maalum ya %0,5 LCMNF

%0,5 LCMNF iliongeza strain wakati wa kuvunjika kutoka 0,286 hadi 0,401 mm·mm⁻¹. Ongezeko hili la takriban %40 linaonyesha kuwa kiungo kilichounganishwa kwa gundi kinaruhusu ulemavu zaidi kabla ya kuvunjika.

Katika mfumo huo huo, uimara wa shear ulikuwa 2,49 N·mm⁻² na haukuwa tofauti kitakwimu na thamani ya 2,44 N·mm⁻² ya SS safi. Nishati hadi kuvunjika iliongezeka kutoka 0,168 hadi 0,303 MJ·m⁻³.

Faida maalum ya %1,0 LCMNF

%1,0 LCMNF iliongeza moduli ya shear kutoka 5,53 hadi 7,81 N·mm⁻², ongezeko la takriban %41. Uimara wa shear ulidumishwa katika kiwango cha SS safi kwa 2,40 N·mm⁻², huku nishati hadi kuvunjika ikifikia 0,331 MJ·m⁻³, wastani wa juu zaidi kati ya mifumo yote.

Thamani za nishati hadi kuvunjika za mifumo ya %0,5 na %1,0 hazikuwa tofauti kitakwimu. Faida ya viwango hivi viwili ni kuunda wasifu tofauti wa kimitambo: %0,5 huangazia uwezo mkubwa zaidi wa ulemavu, huku %1,0 ikiangazia uwiano bora zaidi wa ugumu na ufyonzaji wa nishati.

Kwa nini %1,5 na %2,0 LCMNF zilipunguza utendaji?

Katika mkusanyiko mkubwa wa fibrili, kuongezeka kwa migusano ya fibrili–fibrili kuliunda mtandao wa kireolojia wenye nguvu zaidi; hata hivyo, aglomereshini na kutofanana kwa mikrostruktura pia viliongezeka. Makundi ya fibrili ya ndani yalitafsiriwa kuwa miundo inayoweza kufanya ugawaji upya wa mkazo kwa usawa ndani ya tabaka la gundi kuwa mgumu na kuunda maeneo ya mkusanyiko wa mkazo.

Hali hii inaendana na kupungua kwa uimara wa shear hadi 1,66 katika %1,5 LCMNF na hadi 1,52 N·mm⁻² katika %2,0 LCMNF. Kwa hiyo, kuimarika kwa muundo wa kireolojia hakumaanishi kwamba utendaji wa kimitambo utaendelea kuongezeka bila kikomo.

Nyuso za kuvunjika

Uchambuzi wa makroskopiki wa kuvunjika ulionyesha aina mchanganyiko za kuvunjika, zikiwemo kuvunjika kwa adesheni (AF), kuvunjika kwa kohezhini ndani ya gundi (CF), na kuvunjika kwa kohezhini ya substrati (CSF). Ramani za silikoni za EDS zilithibitisha kuwa katika baadhi ya maeneo gundi ya SS ilibaki kwenye uso wa mbao, ilhali katika maeneo mengine mbao tupu zilifichuliwa.

Uso wa kuvunjika wa SEM wa gundi safi ya SS ulikuwa laini kwa kiasi, ukiwa na maeneo mapana bapa na njia za ufa za mstari. Mofolojia hii inaashiria tabia dhaifu zaidi inayolingana na ufyonzaji mdogo wa nishati.

Katika %0,5 LCMNF, uso ulizidi kuwa mkwaruzo na njia za ufa zikawa zenye mikunjo zaidi. Chanzo kilihusisha hali hii na ukengeukaji wa ufa na kuundwa kwa njia inayohitaji nishati zaidi wakati wa kuvunjika.

Katika %1,0 LCMNF, miundo mingi ya fibrili inayofanana na madaraja na njia za ufa zenye mikunjo mingi zilionekana kati ya maeneo jirani yaliyovunjika. Hii ndiyo mofolojia changamano zaidi ya kuvunjika, inayolingana na nishati iliyopimwa hadi kuvunjika ya 0,331 MJ·m⁻³.

Katika %1,5 LCMNF, ingawa uimarishaji wa fibrili bado ulionekana, usambazaji wa fibrili ulikuwa usiofanana zaidi. Katika %2,0 LCMNF, maeneo ya ndani yenye fibrili nyingi yalikuwepo sambamba na maeneo laini zaidi yenye fibrili chache; chanzo kilihusisha kutofanana huku na uwezekano wa mkusanyiko wa mkazo wa ndani.

Uchambuzi wa kitakwimu

Regresheni ya Herschel–Bulkley ilifanywa kwa RheoPlus 3.21. Thamani za RMSE na R² zilitumiwa kutathmini ulinganifu wa modeli.

Katika uchambuzi wa kitakwimu wa matokeo ya kimitambo, R 4.4.0 na RStudio 2024.04 zilitumiwa; baada ya one-way ANOVA, jaribio la Tukey post hoc lilitumika. Kizingiti cha umuhimu wa kitakwimu kilikuwa p < 0,05.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

Kuongezwa kwa LCMNF huongeza mnato, mkazo wa kuanza kutiririka na mchango wa kimuundo wa elastiki wa gundi ya silikati ya sodiamu.

Mifumo yote ya LCMNF huhifadhi tabia ya shear-thinning; kwa hiyo, kuongezeka kwa upinzani wa kimuundo katika shear ndogo hakumaanishi kutoweka kabisa kwa mtiririko.

%0,5 na %1,0 LCMNF huongeza kwa kiasi kikubwa ufyonzaji wa nishati hadi kuvunjika ikilinganishwa na SS safi huku zikidumisha uimara wa shear.

Katika %1,5 na %2,0 LCMNF, kuongezeka kwa aglomereshini na kutofanana kwa mikrostruktura kulionekana pamoja na uimara wa shear uliopungua.

Katika hali za maabara zilizochunguzwa, %1,0 LCMNF ilitoa utendaji wa jumla wenye uwiano bora zaidi.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

Utafiti hauonyeshi kwamba %1,0 LCMNF ni mkusanyiko bora wa ulimwengu wote katika gundi zote za silikati ya sodiamu.

Utafiti haujathibitisha moja kwa moja kwamba utendaji wa kompoziti ya mwisho ya mrija wa karatasi umeboreshwa kwenye laini ya uzalishaji; Pinus sp. ilitumika katika majaribio ya viungo vya kimitambo.

Tabia ya shear-thinning katika reolojia ya maabara si kipimo cha moja kwa moja cha matumizi ya nishati katika mifumo halisi ya viwandani ya kusukuma, kupaka au kuchanganya.

Mabadiliko ya FTIR hayapaswi kufasiriwa kuwa ushahidi wa moja kwa moja wa utaratibu mpya na mahususi wa mmenyuko wa kemikali.

Mwelekeo wa aglomereshini unaoonekana kwa hadubini ya macho unaendana na matokeo ya chanzo; hata hivyo, kwa kuwa eneo moja tu la uwakilishi lilitumika kwa kila mfumo, huu si uchanganuzi mpana wa kitakwimu wa aglomereshini.

Tafiti zijazo

Katika sehemu ya hitimisho ya chanzo, kazi ya baadaye yenye kipaumbele ni kutathmini moja kwa moja mfumo wa SS/%1,0 LCMNF katika kompoziti za mirija ya karatasi. Jaribio kama hilo linaweza kuonyesha kama faida za kireolojia na kimitambo zilizopimwa katika kiwango cha kiungo cha gundi pia hubadilika kuwa ongezeko la utendaji katika bidhaa halisi ya mwisho.

Uthibitishaji huu pia unahitajika kutathmini utekelezekaji wa kivitendo wa mkabala wa nyenzo duara unaotegemea kurejesha LCMNF iliyopatikana kutoka mabaki ya uzalishaji wa mirija ya karatasi katika mnyororo uleule wa uzalishaji.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Kichwa asili: Lignin-Containing Cellulose Micro/Nanofibril Reinforcement of Sodium Silicate Adhesive: Rheological Structuring and Performance Optimization.

Waandishi: Thiago Silva Ramos; Julian Christ; Raphael Palucci Rosa; Rafael Carvalho do Lago; Antonio Francisco Guerrero Conejo; Letícia Catta Preta; Giuseppe Rosace; Anand Ramesh Sanadi; Gustavo Henrique Denzin Tonoli.

Corresponding author: Thiago Silva Ramos.

Taasisi: Federal University of Lavras, Brazili; University of Copenhagen, Denmaki; University of Bergamo, Italia; University of Seville, Hispania; Tubominas Packaging Industry, Brazili.

Jarida: Forests.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Taarifa za uchapishaji: Forests 2026, 17(9), 1045.

DOI: 10.3390/f17091045.

Historia ya makala: Ilipokelewa 19 Julai 2026; ikarekebishwa 19 Agosti 2026; ikakubaliwa 29 Agosti 2026; ikachapishwa 1 Septemba 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti asilia wa majaribio wa sayansi ya nyenzo / gundi, uliopitiwa na wataalamu na wenye ufikiaji wazi.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0); hakimiliki ni za waandishi.

Nyenzo kuu: Mikro/nanofibrili za selulosi zenye lignini (LCMNF) zilizopatikana kutoka mabaki yasiyopauka ya uzalishaji wa mirija ya karatasi.

Matriksi: Gundi ya kibiashara ya silikati ya sodiamu isiyo na formaldehidi.

Viwango vya LCMNF: %0,5; %1,0; %1,5; %2,0, kulingana na uzito mkavu wa gundi ya SS.

Kiongeza cha mtawanyiko: PEG 400; %6,0 kulingana na uzito mkavu wa LCMNF.

Uainishaji mkuu: FE-SEM, SEM-EDS, ATR-FTIR, hadubini ya macho, reolojia ya mzunguko, reolojia ya mtetemo, jaribio la shear la kiungo cha lap moja na uchambuzi wa uso wa kuvunjika.

Rheometer: Anton Paar MCR 301; sahani sambamba ya 25 mm; 1 mm gap.

Shear ya kudumu: 0,01–1000 s⁻¹; 20 °C.

Jaribio la joto: 20–80 °C; 2 °C·min⁻¹; 100 s⁻¹.

Skani ya amplitudo: 0,1 Hz; %0,01–100 strain.

Skani ya masafa: %0,1 strain; 0,1–100 rad·s⁻¹; 20 °C.

Substrati ya kimitambo: Sampuli za lap moja za Pinus sp.

Kiasi cha matumizi ya gundi: 150 g·m⁻².

Hot press: 1 MPa; 120 °C; dakika 8.

Uwekaji hali: 20 ± 2 °C; unyevu wa jamaa wa %65 ± 3; hadi uzito wa kudumu.

Marudio ya kimitambo: Viungo 10 vilivyounganishwa kwa gundi kwa kila mfumo.

Takwimu: ANOVA + jaribio la Tukey post hoc; p < 0,05; R 4.4.0 / RStudio 2024.04.

Ufadhili: Minas Gerais State Agency for Research and Development (FAPEMIG), APQ-04368-22.

Upatikanaji wa data: Data zinaweza kupatikana kutoka kwa corresponding author kwa ombi la msingi linalofaa.

Msaada wa malighafi: Tubominas Packaging Industry ilitoa malighafi zilizotumiwa katika uzalishaji wa LCMNF na gundi iliyorekebishwa.

Mgongano wa maslahi: Waandishi waliripoti kutokuwepo kwa mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Uundaji wa dhana T.S.R., A.R.S. na G.H.D.T.; metodolojia T.S.R., J.C., R.C.d.L., A.R.S. na G.H.D.T.; uthibitishaji T.S.R., R.P.R. na R.C.d.L.; uchambuzi rasmi T.S.R., J.C., R.P.R., R.C.d.L. na L.C.P.; uchunguzi T.S.R., J.C., R.P.R. na R.C.d.L.; rasilimali L.C.P., A.R.S. na G.H.D.T.; rasimu asilia T.S.R., J.C., R.P.R., R.C.d.L., G.R., A.R.S. na G.H.D.T.; uhakiki/uhariri T.S.R., R.P.R., A.F.G.C., G.R., A.R.S. na G.H.D.T.; uonyeshaji T.S.R., A.R.S. na G.H.D.T.; usimamizi na usimamizi wa mradi A.R.S. na G.H.D.T.; upatikanaji wa ufadhili G.H.D.T. kama ilivyoripotiwa.

Kikomo kikuu cha kimetodolojia: Utafiti ulitathmini utendaji wa kireolojia na wa kiungo kilichounganishwa kwa gundi wa mfumo wa gundi katika kiwango cha maabara. Katika majaribio ya kimitambo, substrati ya Pinus sp. ilitumika badala ya mrija wa mwisho wa karatasi, na utendaji wa moja kwa moja wa kompoziti ya mrija wa karatasi wa viwandani haukupimwa.

Maelezo ya matumizi ya taswira: Chanzo kina leseni ya CC BY 4.0. Hata hivyo, kwa Verianla, badala ya kuzalisha kwa njia bandia rasters za SEM/hadubini ya macho za chanzo, inapendekezwa kuwasilisha mchakato wa maandalizi na matokeo ya kiasi ya chanzo kwa michoro ya kiufundi na majedwali asilia.