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1、 accepted in revised form 14 May 2004 Springer 2005约翰内斯施罗特, 弗洛里安费利克斯系塑料工程，罗森海姆应用科技大学，豪斯车斯特。1, D-83024，罗森和穆，德国; 德罗斯尔斯特。 15, D -82467，加米施，帕坦，德国; 作者的联系方式（电子邮件：schroeterfh-rosenheim.de;电话：+49-8031-805-627，传真：+49-8031-805-105）2004年2月4日收到，在经修改的表格后2004年5月14日接受，2005年斯普林格。关键词：纤维素，激光，熔化，塑化，压力，剪切摘 要本文中，主要研究了纤维

2、素通过机械剪切，单轴压力，激光辐射等作用可以发生的塑性形变。这种形变使从木浆或脱脂棉中提取得到的毡状物质转换为超薄紧致透明的薄盘，并将薄盘在红外光谱，光学显微镜和扫描电子显微镜下进行了检测。这种新的方法可能会在天然纤维素转化为塑料产品（纤维制品，胶片）方面展开一条新的道路，从而拓宽了对大自然最常见的聚合物的使用范围。缩写词： -波长, I -强度; P -功率; SEM -扫描电子显微镜。引 言 据报道，纤维素一般不会融化（施赖斯等人1983;。克拉斯戈等1986，第383页。弗兰克1996年）。因此，目前并没有用廉价的纤维或热塑挤压工艺生产纤维素。相反，溶剂型工艺（N -甲基碳氧化物或二硫键

3、）却被被广泛使用。相较于热塑性，这个过程是是相当缓慢，昂贵和危险的。（德国联邦劳动保障部1964年;吉尔伯特等人。 1998年）。纤维素为什么不融化？它是由氢键连接成的化学键（克拉克1984）-这与淀粉或可以加工的聚酰胺的结构非常相似（斯特普特和通卡1987;施罗特和恩德雷斯1992年）。但是，当加热纸浆或纸张时，或得相同的结论，即，它们在一定程度上显示出比塑化焚烧更有应用价值（卡拉奥拉1989年）。显然，热能的解离键非常高，它足以启动对链内键的销毁。即使似乎没有足够大的温差打开分子间的氢键，整个物质也会开始降解。然而，30年前一些来自瑞典的森林产品研究实验室的研究人员（斯德哥尔摩）得出的结论

4、是，如果加热到熔点以及随后的冷却可以有效的进行，它应该能达到理想的融化纤维素点（诺丁等人。1973年）。他们用二氧化碳激光束来加热本文中涉及的内容，即从0.1毫秒至500 C并立即用液氮冷却。他们用不同类型的纸张作为实验材料，获得明显的激光束射洞结果。但在毗邻孔纤维中，他们发现并研究了一些泡沫，这些泡沫直径介乎2至30厘米。当他们用扫描电子显微镜观察目标时，泡沫的表面似乎已失去了它的部分纤维结构他们认为，这显然是熔化材料（诺丁等人。1974年），其中热解，增大了其融化性能，特别是水的热解（回1973）。总之，他们当时的想法是通过某种快速灵敏的方法来检测热熔化动力学并推翻热降解动力学。他们得到了

5、非常有趣的结论。但利用相孔射击的激光显微镜观察到的泡沫只是一种副作用。纤维素没有一定的降解仍不可能达到熔点。因此，到现在为止，纤维素融化过程没有引用热塑性原理。 获得热塑性纤维素产品常见的方式是化学改性。羟基在反氢键纤维素单元中或多或少被取代，从而削弱了分子间氢键。热塑性塑料可由纤维素醋酸酯， 丙酸纤维素和纤维素硝酸盐合成而来热塑性塑料热塑性塑料。而（DS）的大小程度决定物理性质。较高的DS，具有更好的热塑性。 此外还有另一种方式来削弱甚至解开分子间氢键热塑性塑料。这里有一些有关能量高低的可用信息。据报道，超过20千焦耳/摩尔（芬格尔和魏格纳1984年，门奇斯1990）的能量，相当于的键能。如

6、果一个人想应用这对分子间氢键的能量，他们就应打开它。焦耳的能量相当于电磁辐射的波长约6微米光子能量。这种辐射可以产生红外光。它不能快速加热纤维素，但对氢键能精确攻击。如果红外激光照射和机械剪切作用于纤维素上，可以产生塑性变形。我们正在验证这个假设。实验材料和标本我们用脱脂棉（贝尔，保罗赫曼集团，海登海姆，德国）和毡状羊毛（沃特，瑞沃集团汉得尔斯戈普有限公司，科隆，德国）。由此，我们提出按棉花小费尔蒂气瓶一个有单轴压圆柱腔375 N/mm2。且腔内直径为2.0 mm。按下的样本的平均重量为5毫克。按下后，它们仍然维持原有的纤维素结构。此外，我们使用的是毡状高档木纸浆（巴克艾V -60，巴克艾技术

7、，孟菲斯，田纳西州，美国）。我们以高度为1.1毫米，直径为3毫米的小圆柱磁盘对质量为500毫克的纸浆进行打孔。变形实验机械设备我们用一个简单的机械装置来解开这些圆柱试样压力，剪切力，和激光辐射量（图1）。该标本两端是直径为3.0毫米钢制圆筒形棒。然后，我们用1.2千牛顿的轴向力强调标本平均167 N/mm2的单轴压力。图1。纤维素塑化测试装置表1 激光测试参数。通过这种压力把纤维素标本压缩到约0.4毫米，有一部分被挤压在的材料之间的空间棒中。这种材料被切断了。剩余棉花平均重量约3毫克。棒开始时一端旋转速度为0.5米每秒，而另一端仍固定不动。同时，激光束被转换上。激光器 我们使用了两种不同波长的

8、二氧化碳激光器= 10.6厘米。一个是脉冲的频率10千赫。另一个是连续波的高斯光束型激（PBeam=100瓦，I0= 5 W/mm2，为0= 11毫米）。表1揭示了更多的实验参数。 切断激光旋转杆停止后不一会儿，在轴向方向被删除。后变形调查 用显微镜和扫描电子显微镜观察标本。此外，其中有一些用红外光谱观察。标本的质量和厚度都进行了测定。结果 当条件只是压力，剪切力，低激光剂量时，纤维素纤维会停留在滤纸结构（图2，表1）这一阶段。但是，当条件变成高剂量并补充足够的激光辐射时，纤维结构消失。相反，我们事后在细杆之间找到了磁盘（图3，4及5A）。用镊子或手术刀移除它们，有时会破坏磁盘，因为他们始终维

9、持同一个钢铁棒表面。 在每个测试中，激光开机时，我们观察到是焚化棉花羊毛的外部分。激光关闭时，火焰熄灭。在高强度激光（19 W/mm2）的纤维素外部分几乎降解完。然后放下，使无色磁盘归位（图3b）。在较低的纤维素分解强度下，仍然保持为黑圈（图3a）。该标本在仍保持无色。由此产生的3毫米圆圈清晰可见，图3a。当我们用显微镜观察立体光标本时，我们发现，薄盘是透明的。图2。羊毛粘胶低剂量激光测试。该纤维结构被保留。黑斯特克在标本边缘上。通过光镜观察标本直纹纸线是不可见的。图3。纤维素羊毛后的高剂量的激光治疗。纤维结构消失。通过标本直纹纸线的背景是可见的。的（a）粘胶高档木纸浆（巴克艾V -60），（

10、b）粘胶羊毛。光镜。图4。羊毛粘胶测定。通过标本直纹纸线背景可见。光滑的表面与杆的转动结构的痕迹。图5。粘胶羊毛。 （a）纤维结构前处理;（b）治疗后，结构紧凑。表面的痕迹杆的转动结构。扫描电镜图像。 该显微镜可以在磁盘头的标本不改变的条件下聚焦前表面或者背面。拍照时用一张纸作背景，磁盘通过该背景可以看见（图3和4）。另一方面，标本经过简单处理后保持较低的激光功率，它们费尔蒂结构和不透明和以前一样（图2）。激光的唯一遗迹治疗的黑点在边缘标本上。 当我们用扫描电子显微镜观察了磁盘表面时，我们发现了一个螺旋结构类似的结构的转变成钢铁棒表面，但没有更多的纤维结构（图4和5b）。此外，许多截面（图6）

11、显示更多的纤维没有提示，而另一些有一种纤维状的核心。不过，表面始终十分平整。 图6。磁盘边缘棉制成的羊毛纤维。无论在磁盘表面或断面上均没有纤维结构遗迹。扫描电镜图像过程的每一步该标本的重量都会减少。最初，该标本有一个平均重量为5毫克。当我们把那些按暴露纤维之间的标本棒时，平均重量减少到3毫克。这些标本变得透明，有一个重量为0.6毫克，平均厚度为20厘米。 在红外光谱前后的标本治疗结果显示仅有微小的差距（图7）。讨论由于红外光谱的比较（图7）显示没有严重分歧，该材料显然未经化学改性。但几何结构没有明显变化。虽然有一个在一开始费尔蒂结构，我们得到了我们的治疗连续结构。从不透明改变其光学性质透明的数

12、量和从枯燥，光滑的表面（图2和3）。 从这些结果，我们得到，我们有聚合纤维素。该组合单轴压力，剪切和激光辐射似乎适当克服分子间作用力纤维素分子之间。最初的纤维棉花和羊毛的结构消失了取而代之的是一个连续的透明固体。这是类似于热塑性塑料加工中挤出机或注塑机：开始启动具有离散颗粒和一个结束连续的。鉴于众所周知的差异牛顿与聚合物熔体和液体，我们敢说，我们已经设法熔化纤维素。熔体可能非常粘稠，但主要区别，使得没有什么通常是所谓聚合物熔体处理时热压力和剪切。图7。红外光谱纤维素标本前（灰色）和测定后（黑色）。（a）粘胶高档木纸浆（巴克艾V -60），（b）药棉 熔体的可塑性也可以解释我们观察到大规模减少。

13、当材料成为塑料，是它的某些部分可能被驱逐出境从地区之间的棒。尽快它到达地面，它通过分解组合激光加热和空气。在较高的激光强度（19 W/mm2）的纤维素明显分解灰烬。由于灰很脆，它不会粘到磁盘，而他们的塑化有变形。在低强度被驱逐出境纤维素分解而不断改变，这样标本得到黑圆圈（图3a）。这轮辋可以屏蔽激光辐射和阻碍这一进程。 红外光谱（图7）给另一个暗示我们已成功地打开分子内键。这两种木材纸浆和纤维素羊毛，透射比1左右三三二零厘米可以增加治疗。这表明略有减少的氢氧键。据报道，对于纤维素的结晶热约20千焦/摩尔的葡萄糖（克拉篓ssig等。1986年，第383页）。摩尔质量为162克/摩尔的葡萄糖单元。

14、这使得123千焦耳/公斤的纤维素，这一数额应提供能量的激光开启分子内键。由于激光强度为5 W/mm2，3最低0.02毫米卵裂棒之间和500的辐射时间，激光6.8兆焦耳/公斤的能源供应。这是超过实际需要约50倍的能量。即使如果一个烧焦环（图3a）将吸收98传入的激光辐射，有足够的能量应该得到的钢条之间。 激光的波长为10.6厘米，而我们计算过一个必要的波长6厘米打开氢键。显然光子的能量少是必要的。区别计算值与实验可以解释的事实，即能量取决于键 对氧和氢之间的距离r原子氢键。即使是很小的原子距离的增加也可以显著降低能源稳定键（施泰纳2002年），从而减少额外的能量才能打开键。在扩阔氢键不可避免地造

15、成的剪切压力。这说明，辐射一工程较大的波长光子能量比计算的无压力的键少。参考文献Back E. 1973. Cellulose bei hohen Temperaturen: Selbstvernetzung,Glasumwandlung und Schmelzen unter Einwirkungvon Laserstrahlen. Das Papier 27: 475483.Calahorra M.E., Corta zar M., Eguizabal J.I. and GuzmanG.M. 1989. Thermogravimetric analysis of cellulose: ef

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