مستقرة للغاية، وظيفية مشعر النانوية والبوليمرات الحيوية من ألياف الخشب: نحو تقنية النانو المستدام
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
النانوية، باعتبارها واحدة من المواد الرئيسية في تكنولوجيا النانو والنانو، اكتسبت أهمية كبيرة خلال السنوات العشر الماضية. في حين ترتبط النانوية القائمة على المعادن مع متاعب الاصطناعية والبيئية، السليلوز يدخل، بديل صديقة البيئة لتخليق جسيمات متناهية الصغر. هنا، نقدم إجراءات التوليف وفصل الكيميائية لإنتاج أصناف جديدة من الجسيمات النانوية شعر (تحمل المناطق على حد سواء غير متبلور والبلورية) والبوليمرات الحيوية القائمة على ألياف الخشب. عن طريق الأكسدة بريودات من لب الخشب اللين، يتم فتح حلقة الجلوكوز من السليلوز في السندات C2-C3 لتشكيل مجموعات 2،3 dialdehyde. مزيد من التدفئة من ألياف تتأكسد جزئيا (على سبيل المثال، T = 80 درجة مئوية) النتائج في ثلاثة منتجات، وهي ليفية السليلوز أكسدة، استقرت sterically nanocrystalline السليلوز (SNCC)، وحلت dialdehyde تعديل السليلوز (DAMC)، الذي يفصل جيدا بواسطة الطرد المركزي متقطع وبالإضافة إلى ذلك شارك في المذيبات.استخدمت الألياف تتأكسد جزئيا (بدون تدفئة) باعتبارها شديدة التفاعل وسيطة للتفاعل مع كلوريت لتحويل تقريبا كل ألدهيد إلى مجموعة الكربوكسيل. أدى هطول الأمطار المشارك المذيبات والطرد المركزي في السليلوز استقرت electrosterically nanocrystalline (الوطني المصري للتنافسية)، والسليلوز dicarboxylated (DCC). محتوى ألدهيد من SNCC وبالتالي تهمة سطح الوطني المصري للتنافسية (محتوى الكربوكسيل) وتسيطر على وجه التحديد عن طريق التحكم في وقت رد الفعل الأكسدة بريودات، مما أدى إلى النانوية مستقرة للغاية تحمل أكثر من 7 مليمول المجموعات الوظيفية في كل غرام من الجسيمات النانوية (على سبيل المثال، بالمقارنة مع NCC التقليدية تحمل << 1 مليمول وظيفية مجموعة / ز). المجهر القوة الذرية (AFM)، انتقال المجهر الإلكتروني (تيم)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) يشهد على التشكل مثل قضيب. المعايرة توصيلية، تحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، الرنين النووي المغناطيسي (NMR)، ديناميكية تشتت الضوء (DLS)، حركي كهربي-قالجنينية-السعة (ESA) والصوتية توهين الطيفي تسليط الضوء على خصائص متفوقة من هذه المواد النانوية.
Introduction
السليلوز، مثل البوليمر الحيوي الأكثر وفرة في العالم، وقد خدم مؤخرا كمادة خام رئيسية لانتاج جسيمات نانوية بلورية اسمه السليلوز nanocrystalline (NCC، المعروف أيضا باسم البلورات النانوية السليلوز CNC) 1. لفهم آلية تجميع NCC، وهيكل من ألياف السيليلوز يحتاج إلى من يكتشفها. السليلوز هو الخطية والبوليمر polydispersed تضم بولي بيتا (1،4) بقايا -D الجلوكوز 2. وترتبط الحلقات السكر في كل مونومر خلال الأكسجين غليكوزيدية لتشكيل سلاسل من (1-1.5) × 10 4 وحدات غلوكوبيرانوز 2،3، وإدخال بالتناوب أجزاء البلورية والمختلين والمناطق غير متبلور، لاول مرة من قبل Nageli وSchwendener 2،4. وفقا للمصدر، فإن أجزاء البلورية من السليلوز اعتماد مختلف الكريات البيضاء 5.
إذا تم علاج ألياف السليلوز مع حمض قوي، مثل حامض الكبريتيك، يمكن أن تكون مرحلة غير متبلور العوا تحلل تماماذ لتعطيل البوليمر وإنتاج الجزيئات البلورية من نسبة الارتفاع مختلفة اعتمادا على المصدر (على سبيل المثال، والخشب، وإنتاج محصول نانواعواد أكثر من 90٪ البلورية من العرض ~ 5-10 نانومتر، وطول ~ 100-300 نانومتر، بينما تونيسين، والبكتيريا، والطحالب تنتج 5-60 نانومتر واسعة و 100 نانومتر إلى عدة ميكرومتر البلدان المساهمة الصافية طويلة) 6. ويشار إلى القراء على الكم الهائل من المعلومات المتاحة بشأن الجوانب العلمية والهندسية من هذه المواد النانوية 2،5،7-16. وعلى الرغم من العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام في هذه الجسيمات النانوية، وكان استقرارهم الغروية دائما قضية على تركيزات عالية من الملح وارتفاع / انخفاض الرقم الهيدروجيني بسبب المتدني نسبيا محتوى الشحنة السطحية (أقل من 1 مليمول / ز) 17.
بدلا من التحلل حمض قوي، ألياف السيليلوز يمكن علاجها مع عامل مؤكسد (بريودات)، الشق C2-C3 الربط في anhydro بقايا D-غلوكوبيرانوز لتشكيل وحدات 2،3 dialdehyde مع عدم وجود ردود فعل جانبية كبيرة 18،19، وهذه الألياف تتأكسد جزئيا يمكن استخدامها كمادة وسيطة قيمة لإنتاج الجسيمات النانوية تحمل المناطق على حد سواء غير متبلور والبلورية (celluloses nanocrystalline شعر) باستخدام التفاعلات الكيميائية فقط دون أي القص الميكانيكية أو ultrasonication 20. عندما درجة الأكسدة الجزئية DS <2، التدفئة المؤكسد الألياف النتائج في ثلاث دفعات من المنتجات، وهي السليلوز ليفي، المياه التشتت dialdehyde nanowhiskers السليلوز يسمى استقرت sterically nanocrystalline السليلوز (SNCC)، وحلت dialdehyde تعديل السليلوز (DAMC)، والتي يمكن أن تكون معزولة بواسطة مراقبة دقيقة على إضافة المشارك المذيبات والطرد المركزي متقطع 21.
أداء تسيطر الأكسدة كلوريت على الألياف تتأكسد جزئيا بتحويل جميع المجموعات ألدهيد تقريبا إلى الكربوكسيل وحدة، والتي يمكن أن يعرض تصل إلى 7 مليمول مجموعة COOH في كل غرام من السليلوز nanocrystalline اعتمادا على محتوى ألدهيد 18 </suص>، تعمل على تحقيق الاستقرار. وتسمى هذه الجسيمات النانوية استقرت electrosterically السليلوز nanocrystalline (الوطني المصري للتنافسية). وعلاوة على ذلك، تم التأكيد على أن طبقات لينة من السلاسل جاحظ الشعر مثل اتهم موجودة على الوطني المصري للتنافسية 17. وقد استخدمت هذه المواد بمثابة مكثف ذات كفاءة عالية لمسح ايونات المعادن الثقيلة 22. تهمة هذه الجسيمات النانوية يمكن أن تسيطر على وجه التحديد عن طريق التحكم في وقت رد الفعل بريودات 23.
وعلى الرغم من تفاعلات الأكسدة المعروفة من السليلوز، لم يتم الإبلاغ عن إنتاج SNCC والوطني المصري للتنافسية من قبل أي مجموعات بحثية أخرى على الأرجح بسبب التحديات الانفصال. كنا قادرين على تجميع بنجاح وعزل أجزاء مختلفة من nanoproducts من خلال تصميم بالضبط رد فعل والانفصال الخطوات. توضح هذه المقالة البصرية مع التفاصيل كاملة كيفية تحضير بتكاثر وتميز nanowhiskers الرواية المذكورة آنفا تحمل كلاهما جزء غير متبلور والبلوريةالصورة من ألياف الخشب. قد يكون هذا البرنامج التعليمي رصيدا للباحثين نشط في مجالات مواد لينة والبيولوجية، والعلوم الطبية، وتكنولوجيا النانو وبصريات النانو والعلوم البيئية والهندسة والفيزياء.
Protocol
Representative Results
Discussion
في أعقاب الكيمياء مناقشتها في هذه الورقة البصرية، ويتم إنتاج مجموعة متنوعة من الجسيمات النانوية القائمة على السليلوز درجة عالية من الاستقرار مع المسؤول الانضباطي تحمل مراحل كلا البلورية وغير متبلور (celluloses nanocrystalline شعر). اعتمادا على الوقت الأكسدة بريودات، كما هو مبي…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support from an Industrial Research Chair funded by FPInnovations and NSERC for a NSERC Discovery grant and from the NSERC Innovative Green Wood Fiber Products Network are acknowledged.
Materials
| Q-90 softwood pulp | FPInnovations | – | – |
| Sodium periodate | Sigma-Aldrich | S1878-500G/CAS7790-28-5 | Light sensitive, Strong oxidizer, must be kept away from flammable materials |
| Sodium chloride | ACP Chemicals | S2830-3kg/7647-14-5 | – |
| 2-Propanol | Fisher | L-13597/67-63-0 | Flammable |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466-1L/107-21-1 | – |
| Sodium hydroxide | Fisher | L-19234/1310-73-2 | Strong base, causes serious health effects |
| Sodium chlorite | Sigma-Aldrich | 71388-250G/7758-19-2 | Reactive with reducing agents and combustible materials |
| Hydrogen peroxide | Fisher | H325-500/7722-84-1 | Corrosive and oxidizing agent, keep in a cool and dark place |
| Ethanol | Commercial alcohols | P016EAAN | Flammable |
| Hydrochloric acid | ACP Chemicals | H-6100-500mL/7647-01-0 | Strong acid, causes serious health effects |
| Hydroxylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 159417-100G/5470-11-1 | Unstable at high temperature and humidity, mutagenic |
| Centrifuge | Beckman Coulter | J2 | High rotary speed |
| Fixed angle rotor | Beckman Coulter | JA-25.50 | Tighten the lid carefully |
| Dialysis tubing | Spectrum Labs | Spectra (Part No. 132676) | Cutoff Mw = 12-14 kD, Length ~ 30 cm, width ~ 4.5 cm |
| Aluminum cup | VWR | 611-1371 | 57 mm |
| Titrator | Metrohm | 836 Titrando | – |
References
- Habibi, Y., Lucia, L. A., Rojas, O. J. Cellulose nanocrystals: Chemistry , self-Assembly , and applications. Chem. Rev. 110 (6), 3479-3500 (2010).
- Samir, M. A. S. A., Alloin, F., Dufresne, A. Review of recent research into cellulosic whisker, their Properties and their application in nanocomposites field. Biomacromolecules. 6 (2), 612-626 (2005).
- Sjöström, E. . Wood chemistry: Fundamentals and applications. , (1993).
- Nageli, C., Schwendener, S. . Das Mikroskop, Theorie und Anwendung desselben. 2. Verbesserte auflage. , (1877).
- Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chem. Soc. Rev. 40 (7), 3941-3994 (2011).
- Klemm, D., Kramer, F., et al. Nanocelluloses: A new family of nature-based materials. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (24), 5438-5466 (2011).
- Wang, N., Ding, E., Cheng, R. Surface modification of cellulose nanocrystals. Front. Chem. Eng. China. 1 (3), 228-232 (2007).
- Siqueira, G., Bras, J., Dufresne, A. Cellulosic bionanocomposites: A review of preparation, properties and applications. Polymers. 2 (4), 728-765 (2010).
- Siaueira, G., Bras, J., Dufresne, A. Cellulose whiskers versus microfibrils: Influence of the nature of the nanoparticle and its surface functionalization on the thermal and mechanical properties of nanocomposites. Biomacromolecules. 10 (2), 425-432 (2009).
- Peng, B. L., Dhar, N., Liu, H. L., Tam, K. C. Chemistry and applications of nanocrystalline cellulose and its derivatives: A nanotechnology perspective. Can. J. Chem. Eng. 89 (5), 1191-1206 (2011).
- Lu, P., Hsieh, Y. Lo Preparation and properties of cellulose nanocrystals: Rods, spheres, and network. Carbohydr. Polym. 82 (2), 329-336 (2010).
- Liu, D., Chen, X., Yue, Y., Chen, M., Wu, Q. Structure and rheology of nanocrystalline cellulose. Carbohydr. Polym. 84 (1), 316-322 (2011).
- Lam, E., Male, K. B., Chong, J. H., Leung, A. C. W., Luong, J. H. T. Applications of functionalized and nanoparticle-modified nanocrystalline cellulose. Trends Biotechnol. 30 (5), 283-290 (2012).
- Kalia, S., Dufresne, A., et al. Cellulose-based bio- and nanocomposites: A review. Int. J. Polym. Sci. 2011, 1-35 (2011).
- Bai, W., Holbery, J., Li, K. A technique for production of nanocrystalline cellulose with a narrow size distribution. Cellulose. 16 (3), 455-465 (2009).
- Eichhorn, S. J., Dufresne, A., et al. Review: Current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. J. Mater. Sci. 45 (1), 1-33 (2010).
- Safari, S., Sheikhi, A., van de Ven, T. G. M. Electroacoustic characterization of conventional and electrosterically stabilized nanocrystalline celluloses. J. Colloid Interface Sci. 432, 151-157 (2014).
- Yang, H., Tejado, A., Alam, N., Antal, M., Van De Ven, T. G. M. Films prepared from electrosterically stabilized nanocrystalline cellulose. Langmuir. 28 (20), 7834-7842 (2012).
- Guthrie, R. D. The "dialdehydes" from the periodate oxidation of carbohydrates. Adv Carbohydr Chem. 16, 105-158 (1961).
- van de Ven, T. G. M., Tejado, A., Alam, M. N., Antal, M. Novel highly charged non-water soluble cellulose products, includes all types of cellulose nanostructures especially cellulose nanofibers, and method of making them. U.S. Provisional Patent Application. , (2011).
- Yang, H., Chen, D., van de Ven, T. G. M. Preparation and characterization of sterically stabilized nanocrystalline cellulose obtained by periodate oxidation of cellulose fibers. Cellulose. 22 (3), 1743-1752 (2015).
- Sheikhi, A., Safari, S., Yang, H., van de Ven, T. G. M. Copper removal using electrosterically stabilized nanocrystalline cellulose. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (21), 11301-11308 (2015).
- Yang, H., Alam, M. N., van de Ven, T. G. M. Highly charged nanocrystalline cellulose and dicarboxylated cellulose from periodate and chlorite oxidized cellulose fibers. Cellulose. 20 (4), 1865-1875 (2013).
- Kim, U. J., Kuga, S., Wada, M., Okano, T., Kondo, T. Periodate oxidation of crystalline cellulose. Biomacromolecules. 1 (3), 488-492 (2000).
- Araki, J., Wada, M., Kuga, S. Steric stabilization of a cellulose microcrystal suspension by poly (ethylene glycol) grafting. Cellulose. 17 (1), 21-27 (2001).
