Influence of different factors of physico-chemical modification on structure and properties of hemp fibers

U teorijskom delu rada su sistematizovani najznačajniji literaturni podaci u vezi sa hemijskim sastavom, reaktivnošću pratećih supstanci, molekulskom i nadmolekulskom strukturom, svojstvima i postupcima modifikovanja vlakana konoplje. Obzirom na to, da vlakna konoplje imaju heterogen hemijski sastav u kome preovlađuje celuloza, u teorijskom delu je prvo ukazano na: naučni razvoj modela strukture nativne celuloze, celulozne alomorfizme i oblike kristalnih rešetki, kao i na reaktivnost nativne celuloze prema različitim reaktivima, što predstavlja osnovu za eksperimentalni deo ovog rada, tj. izbor odgovarajućih postupaka modifikovanja vlakana konoplje. Uzimajući u obzir da u hemijskom sastavu vlakana konoplje, kao konstituenti, pored celuloze učestvuju i prateće materije (supstance rastvorne u vodi, masti i voskovi, pektini, odrvenjena komponenta-lignin i hemiceluloze), izvršeno je njihovo definisanje (hemijski sastav, reaktivnost) i objašnjen je uticaj ovih komponenata na reaktivnost celuloze. Kao posebna celina u okviru teorijskog dela doktorske disertacije obrađeni su mogući postupci modifikovanja vlakana konoplje sa posebnim osvrtom na promene koje pri tome mogu nastati. Ove promene se uglavnom odnose na hemijski sastav, strukturu, fizičko-hemijska i elektrofizička svojstva vlakana konoplje. U eksperimentalnom delu doktorske disertacije proučavan je uticaj parametara hemijskog modifikovanja vlakana konoplje (17,5 % NaOH, sobna temperatura, tokom 5, 10, 20, 30 i 45 minuta, u cilju postupnog uklanjanja hemiceluloza i 0,7 % NaClO2, temperatura ključanja, tokom 5, 15, 30 i 60 minuta, u cilju postupnog uklanjanja lignina), na njihov hemijski sastav, strukturu, fizičko-hemijska i elektrofizička svojstva. Parcijalno uklanjanje hemiceluloza dovodi do povećanja sorpcije vlage i smanjenja sposobnosti zadržavanja vode u vlaknima konoplje, dok uklanjanje lignina utiče na smanjenje sadržaja vlage i povećanje sposobnosti zadržavanja vode vlakana. Takođe, dolazi do poboljšanja kapilarnih svojstava vlakana konoplje, jer je ravnotežna visina kapilarnog penjanja tečnosti modifikovanih vlakana povećana i do 2,7 puta u odnosu na nemodifikovana vlakna konoplje. Dobra sorpciona svojstva i promena u strukturi modifikovanih vlakana konoplje, omogućavaju upotrebu ovih vlakana za sorpciju jona teških metala iz njihovih vodenih rastvora. Rezultat modifikovanja vlakana konoplje je visok stepen njihove deljivosti, što pokazuju vrednosti za finoću. Gipkost ovih vlakana je takođe povećana, a u nekim slučajevima je poboljšana i njihova jačina. Zapreminska električna otpornost alkalno modifikovanih vlakana konoplje je povećana, dok je za oksidisana vlakna skoro ista kao kod polaznih vlakana. Na sve ove promene u velikoj meri je uticalo uklanjanje hemiceluloza iz interfibrilarnih oblasti i lignina iz srednje lamele vlakana konoplje, što je imalo uticaj na prostorni raspored i orijentisanost fibrila, a samim tim i na strukturu i mikroporoznost vlakana. Dobijeni rezultati istraživanja su omogućili da se sa fundamentalnog aspekta sagleda problematika bitna za preradu i upotrebu vlakana konoplje i proizvoda dobijenih od ove vrste vlakana.In the theoretical part of this thesis, the most relevant literature data on chemical composition, properties, molecular and supramolecular structure of hemp fibers as well as reactivity of their accompanying substances and modification procedures are reviewed. Taking into account the heterogeneous chemical composition of hemp fibers with cellulose as a main component, the development of native cellulose model, the cellulose alomorphisms, types of crystal lattices and the reactivity of native cellulose towards different chemical reagents are described in detail. This review was the basis for the experimental part, i.e. the selection of appropriate procedure for modification of hemp fibers. In addition to cellulose, different accompanying substances (water-soluble substances, fats, waxes, pectins, lignin and hemicelluloses) are defined (chemical composition, reactivity) and their influence on the reactivity of cellulose was analyzed. The developed procedures for modification of hemp fibers so far are described with particular emphasis on the induced overall fiber changes. These changes mainly correspond to chemical composition, structure, physico-chemical and electro-physical properties of hemp fibers. In experimental part, influence of parameters of chemical modification of hemp fibers (17.5 % NaOH, at room temperature, for 5, 10, 20, 30 and 45 minutes, in an attempt to gradually remove hemicelluloses and 0.7 % NaClO2, at boiling temperature, for 5, 15, 30 and 60 minutes, in an attempt to gradually remove lignin), on their chemical composition, structures, physico-chemical properties and electrophysical properties, was studied. Hemicelluloses removal increases the moisture sorption and decreases the water retention values of hemp fibers, while lignin removal decreases the moisture sorption and increases the water retention ability of hemp fibers. Also, the capillary properties of hemp fibers are improved, i.e. capillary rise height of modified fibers is increased up to 2.7 times in relation to unmodified fibers. Good sorption properties and changes in the structure of modified hemp fibers, allow the use of these fibers for sorption of heavy metals ion from their water solution. Results of modification of hemp fibers were a high level of divisibility, which showed with values of fineness. Modified hemp fibers have higher flexibility and in some cases tensile properties are improved. Volume electric resistance of alkali modified hemp fibers are decreased, but for oxidizing hemp fibers values of volume electric resistance are almost like as the unmodified fibers. Changes of physico-chemical and electrophysical properties are result of removing of hemicelluloses from interfibrillar region and lignin from middle lamelae, which influence on space arrangement and orientation of fibriles, and on structure and microporosity of fibers. This research results have enabled to recognize fundamentally the issues relevant for processing and using of hemp fibers and products from these fibers