TEMPERATURE TRANSITIONS IN NON-CRYSTALLINE DOMAINS OF CELLULOSE
https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-19-30
Abstract
When samples of various polymers are heated, there is a monotonic change of various physico-chemical, physical and chemical properties until achieving of certain transition temperatures at which an abrupt change in properties of the polymers is observed. Cellulose is known to be a linear stereoregular semi-crystalline polysaccharide composed of anhydroglucose units joined by 1,4-β-glycosidic bonds. This polysaccharide has a complex supramolecular structure consisting of ordered crystallites and less ordered noncrystalline domains. This review article contains the description and discussion of temperature transitions in non-crystalline domains of cellulose. It has been shown that due to structural heterogeneity the non-crystalline domains have three temperature transitions of relaxation type, where the α1 transition at 490-500 K and α2 transition at 380-410 K are caused by the occurrence of segmentalmobility in dense mesomorphous and less packed amorphous clusters, respectively; whereas the β transition at 260-300 K is related to the mobility of small segments in loose packed amorphous clusters, which probably are located on the outer surface of cellulose fibrils. Under the action of water and other plasticizers all three isophase transitions are shifted to lower temperatures. Along with α and β transitions, also low-temperature γ transition at 180-200 K is observed due to mobility of hydroxy-methylene groups in noncrystalline domains of cellulose.
About the Author
M. Ya. Ioelovich
Biochemical and technological company Designer Energy
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 1978. 544 с.
2. Boyer R.F. Transition and relaxation in polymers. New York: Wiley and Sons, 1977. 745 p.
3. Shen M., Eisenberg A. Glass transitions in polymers // Rubber Chem. Technol. 1970. V. 43. P. 95-100.
4. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. М.: Химия, 1976. 216 с.
5. Бартенев Г.М., Алигулиев Р.М., Хитеева Д.М. Релаксационные переходы в полиэтилене // Высокомол. соед. Сер. А. 1981. Т. 23, N 9. С. 2003-2011.
6. Fakirov S., Krasteva B. On the glass transition temperature of polyethylene as revealed by micro-hardness measurements // J. Macromol. Sci. 2000. V. 39. Part B. N 2. P. 297-301.
7. Klemm D., Heublein B., Fink H-P., Bohn A. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material // Anew. Chem. 2005. V. 44. P. 2-37.
8. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л.: АН СССР, 1962. 711 с.
9. Ioelovich M. 2014. Cellulose nanostructured natural polymer. Saarbrücken: LAP, 2014. 88 p.
10. Ioelovich M., Laka M. Structural analysis of disordered cellulose // SITA. 2002. N 4. P. 90-93.
11. O'Sullivan A. Cellulose: the structure slowly unravels // Cellulose.1997. V. 4. P. 173-207.
12. Back E., Didriksson E. Four secondary and glass transition temperature of cellulose evaluated by sonic pulse technique // Svensk Papperstidn. 1969. V. 72, N 21. P. 687-694.
13. Кайминь И.Ф., Карливан В.П., Иоелович M.Я. Температурные переходы целлюлозы и их изменение в присутствии низкомолекулярных веществ // Известия АН Латв. ССР. 1979. N 8. С. 112-123.
14. Каргин В.А., Козлов П.В., Най-Чан В. О температуре стеклования целлюлозы // Докл. АН СССР. 1960. Т. 130, N 2. С. 356-358.
15. Иоелович M.Я., Кайминь И.Ф. Изучение температурных переходов целлюлозы в жидких средах // Высокомол. соед. Сер. Б. 1979. Т. 21, N 8. С. 621-625.
16. Alftha E., Deruvo A., Brown W. Glass transition temperature of oligosaccharides // Polymer. 1973. V. 14. P. 329-330.
17. Van Krevelen D.W. Properties of polymers. Correlation with chemical structure. Amsterdam-London-New York: Elsevier Publ., 1972. 427 p.
18. Nordin S., Nyren J., Back E. Note on molten cellulose produced in a laser beam // Svensk Papperstidn. 1973. V. 76, N 16. P. 609-610.
19. Manabe S. Iwata M., Kamide K. Dynamic mechanical absorptions observed for regenerated cellulose solids in the temperature range from 280 to 600 K // Polymer J. 1986. V.18, N 1. P. 1-14.
20. Файнберг Э.З., Михайлов Н.В. Исследование температурной зависимости теплоемкости целлюлозных волокон // Высокомол. соед. Сер. А. 1967. Т. 9, N 4. С. 920-926.
21. Klason C., Kubat J. Thermal transition in cellulose // Svensk Papperstidn. 1976. V. 79, N 15. P. 494-500.
22. Ioelovich M. Isophase and phase transitions of cellulose - a short review // SITA. 2016. V. 18, N 2. P. 14-34.
23. Зеленев Ю.B., Глазков В.И. Релаксационные процессы в целлюлозе и ее производных // Высокомол. соед. Сер. А. 1972. Т. 14, N 1. С. 16-22.
24. Кайминь И.Ф., Иоелович M.Я. Влияние влагосодержания на температурные переходы в целлюлозе // Высокомол. соед. Сер. Б. 1973. Т. 15, N 10. С. 764-767.
25. Мочалов А.Н., Хлюстова Т.Б., Иоелович М.Я., Кайминь И.Ф. Влияние степени кристалличности целлюлозы на ее теплоемкость // Химия древесины. 1982. N 4. С. 66-68.
26. Плотников О.В., Михайлов А.И., Раявээ Э.Л. Изучение сверхмедленных молекулярных движений в целлюлозе методом ЭПР // Высокомол. соед. Сер. А. 1977. Т. 19, N 11. С. 2528-2537.
27. Roig F., Dantras E., Dandurand J., Lacabanne C. Influence of hydrogen bonds on glass transition and dielectric relaxations of cellulose // J. Applied Physics. 2011. V. 44. N 4. P. 1-9.
28. Aziz K., Shinouda, H.G. Acid hydrolysis of cotton cellulose and its thermal transition // Cell. Chem. Technol. 1973. V. 7, N 4. P. 465-478.
29. Ramiah M., Goring, D. A. The thermal expansion of cellulose, hemicellulose and lignin // J. Polym. Sci. Part. C. 1965. V. 11. P. 27-48.
30. Борисова Т.И., Петропавловский Г.А., Котельникова Н.Е. Исследование температурных переходов в целлюлозе различной надмолекулярной структуры диэлектрическим методом // Высокомол. соед. Сер. А. 1979. Т. 21, N 9. С. 2031-2037.
31. Михайлов Г.П., Артюхов А.И., Борисова Т.И. Об особенностях релаксации гидроксильных групп целлюлозы при низких температурах // Высокомол. соед. Сер. Б. 1967. Т. 9, N 2. С.138-141.
32. Wickholm K., Hult E.L., Larsson P.T., Iversen T., Lennholm H. Quantification of cellulose forms in complex cellulose materials: a chemometric model // Cellulose. 2001. V. 8. P. 139-148.
33. Togawa E., Kondo, T. Unique structural characteristics of nematic ordered cellulose - stability in water and its facile transformation // J. Polym. Sci. Polym. Phys. 2007. V. 45. P. 2850-2859.
34. Paes S.S., Sun S., Mac Naughtan W., Ibbett R., Ganster J., Foster T.J., Mitchell J.R. The glass transition and crystallization of ball milled cellulose // Cellulose. 2010. V. 17. P. 693-709.
35. Липатов Ю.С., Шилов В.В., Гомза Ю.П., Кругляк Н.Е. Рентгенографические методы изучения полимерных систем. Киев: Наук. думка, 1982. 296 с.
36. Ioelovich M., Leykin A., Figovsky O. Study of cellulose paracrystallinity // Bioresources. 2010. V. 5, N 3. P. 1393-1407.
37. Аким Э.Л., Наймарк Н.И., Васильев Б.В., Фоменко Б.А., Игнатьева Э.В., Жегалова Н.Н. Воздействие пластифицирующих жидких сред на температуру стеклования целлюлозных материалов // Высокомол. соед. Сер. А. 1971. Т.13, N 10. С. 2244-2250.
38. Наймарк Н.И., Фоменко Б.А., Игнатьева Э.В. Температура стеклования целлюлозы, предельно пластифицированной водой в условиях равновесной сорбции из жидкой фазы // Высокомол. соед. Сер. Б. 1975. Т. 17, N 5. С. 355-358.
39. Montes H., Mazeau K., Cavaille J.Y. Secondary mechanical relaxations in amorphous cellulose // Macromolecules. 1977. V. 30. P. 6977-6984.
40. Stratton, R. A. Dependence of the viscoelastic properties of cellulose on water content // J. Polym. Sci. Polym. Chem. 1973. V. 11. P. 535-544.
41. Szczesniak L., Rachocki A., Tritt-Goc J. Glass transition temperature and thermal decomposition of cellulose powder // Cellulose. 2008. V. 15. P. 445-451.
42. Иоелович M.Я., Кайминь И.Ф., Веверис Г.П. Процесс кристаллизация аморфизованной целлюлозы // Высокомол. соед. Сер. А. 1982. Т. 24, N 6. С.1224-1228.
43. Salmen N. L., Back E. L. The influence of water on the glass transition temperature of cellulose // TAPPI. 1977. V. 60, N 12. P. 137-140.
44. Kaelbe K. Physical chemistry of adhesion. New York: Wiley, 1971.153 p.
45. Couchman P.R., Karasz F.E. A classical thermodynamic discussion of the effect of composition on glass-transition temperatures // Macromolecules. 1978. V. 11. P. 117-119.
46. Fox T.G. 1956. Influence of diluent and copolymer composition on the glass temperature of a polymer system // Bull. Am. Phys. Soc. V. 1. P. 123-125.
47. Ogiwara Y., Kubota H., Hayashi S., Mitomo N. Temperature dependency of bound water of cellulose studied by a high-resolution NMR spectrometer // J. Appl. Polym. Sci. 1970. V. 14, N 2. P. 303-309.
48. Batzer H., Kreibich U.T. Influence of water on thermal transitions in natural polymers and synthetic polyamides // Polym. Bulletin. 1981. V. 5, N 11. P. 585-590.
Review
For citations:
Ioelovich M.Ya. TEMPERATURE TRANSITIONS IN NON-CRYSTALLINE DOMAINS OF CELLULOSE. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2017;7(1):19-30. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2017-7-1-19-30
Views:
227
Email this article 