Meget Stabilt, Functional Behårede Nanopartikler og Biopolymerer fra træfibre: Mod bæredygtig Nanoteknologi
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanopartikler, som en af de vigtigste materialer i nanoteknologi og nanomedicin, har fået stor betydning i løbet af det seneste årti. Mens metal-baserede nanopartikler er forbundet med syntetiske og miljømæssige problemer, cellulose introducerer et grønt, bæredygtigt alternativ til nanopartikel syntese. Her præsenterer vi de kemiske syntese og adskillelse procedurer til at producere nye klasser af behårede nanopartikler (der bærer både amorfe og krystallinske regioner) og biopolymerer baseret på træfibre. Gennem periodat oxidation af blødt træpulp, er glucose ring af cellulose åbnet i C2-C3 binding til dannelse 2,3-dialdehyd- grupper. Yderligere opvarmning af de delvist oxiderede fibre (f.eks, T = 80 ° C) resulterer i tre produkter, nemlig fibrøst oxideret cellulose, sterisk stabiliseret nanokrystallinsk cellulose (SNCC) og opløst dialdehyd modificeret cellulose (DAMC), som er godt adskilt af intermitterende centrifugering og tilsætning co-opløsningsmiddel.De delvist oxiderede fibre (uden opvarmning) blev anvendt som et meget reaktivt mellemprodukt til at reagere med chlorit til konvertering næsten alle aldehyd til carboxylgrupper. Co-opløsningsmiddel udfældning og centrifugering resulterede i elektrosterisk stabiliseret nanokrystallinsk cellulose (ENCC) og dicarboxylated cellulose (DCC). Indholdet af SNCC og dermed overfladeladning af ENCC (carboxylindhold) blev præcist styret ved styring af periodat oxidation reaktionstid, hvilket resulterer i meget stabile nanopartikler bærer mere end 7 mmol funktionelle grupper per gram nanopartikler (f.eks aldehyd sammenlignet med konventionelle NCC bærer << 1 mmol funktionel gruppe / g). Atomic force mikroskopi (AFM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) og scanningelektronmikroskopi (SEM) attesteret til stanglignende morfologi. Konduktometrisk titrering, Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR), kernemagnetisk resonans (NMR), dynamisk lysspredning (DLS), elektrokinetisk-sONIC-amplitude (ESA) og akustisk dæmpning spektroskopi kaste lys over de overlegne egenskaber af disse nanomaterialer.
Introduction
Cellulose, som den mest rigelige biopolymer i verden, er blevet forkyndt for nylig som en vigtig råvare til at give krystallinske nanopartikler navngivne nanokrystallinsk cellulose (NCC, også kendt som cellulose nanokrystaller CNC) 1. For at forstå den mekanisme af NCC-syntese, skal undersøges strukturen af cellulosefibre. Cellulose er en lineær og polydisperse polymer omfattende poly-beta (1,4) -D-glucoserester 2. De sukker ringe i hver monomer er forbundet via glycosidisk ilt til at danne kæder af (1-1,5) x 10 4 glucopyranoseenheder 2,3, indførelse skiftevis krystallinske dele og uordnede, amorfe områder, først rapporteret af Nägeli og Schwendener 2,4. Afhængigt af kilden, kan krystallinske dele af cellulose vedtage forskellige polymorfer 5.
Hvis en cellulosefiber behandles med en stærk syre, såsom svovlsyre, kan den amorfe fase være fuldstændig hydrolyseret away at forstyrre polymeren og producere krystallinske partikler af forskellige formatforhold afhængigt af kilden (f.eks træ og bomuld udbytte mere end 90% krystallinske nanorods af bredde ~ 5-10 nm og længde ~ 100-300 nm, mens tunicin, bakterier, og alger producerer 5-60 nm bred og 100 nm til flere mikrometer lange NCC'erne) 6. Læserne henvises til den store mængde af litteratur til rådighed på de videnskabelige og tekniske aspekter af disse nanomaterialer 2,5,7-16. Trods talrige interessante egenskaber af disse nanopartikler, har deres kolloid stabilitet altid været et problem ved høje saltkoncentrationer og høj / lav pH på grund af deres relativt lave indhold overfladeladning (mindre end 1 mmol / g) 17.
I stedet for stærk syrehydrolyse, kan cellulosefibre behandles med et oxidationsmiddel (periodat), spaltning C2-C3-binding i Anhydro D-glucopyranose-rester til dannelse af 2,3-dialdehyd- enheder med ingen væsentlige sidereaktioner 18,19. Disse delvist oxiderede fibre kan anvendes som et værdifuldt mellemprodukt materiale til frembringelse af nanopartikler som bærer både amorfe og krystallinske regioner (behårede nanokrystallinske celluloser) under anvendelse udelukkende kemiske reaktioner uden nogen mekanisk forskydning eller ultralydsbehandling 20. Når den partielle oxidation grad DS <2, opvarmning oxiderede fibre resulterer i tre partier af produkter, nemlig fibrøst cellulose, vanddispergerbare dialdehyd- cellulose- nanowhiskers kaldes sterisk stabiliseret nanokrystallinsk cellulose (SNCC) og opløst dialdehyd modificeret cellulose (DAMC), som kan isoleres ved præcis kontrol over co-opløsningsmiddel tilsætningen og intermitterende centrifugering 21.
Udførelse kontrolleret chlorit oxidering på de delvist oxiderede fibre konverterer næsten alle aldehydgrupperne til carboxyl enheder, som kan indføre så højt som 7 mmol COOH-grupper per gram nanokrystallinsk cellulose afhængigt af aldehydindholdet 18 </sup>, som stabilisatorer. Disse nanopartikler kaldes elektrosterisk stabiliseret nanokrystallinsk cellulose (ENCC). Endvidere er det blevet bekræftet, at bløde lag af ladede hårlignende udragende kæder findes på ENCC 17. Dette materiale er blevet brugt som en meget effektiv adsorbent til at fjerne tungmetalioner 22. Ladningen af disse nanopartikler kan styres præcist ved regulering af periodat reaktionstid 23.
Trods kendte oxidationsreaktioner af cellulose, er produktionen af SNCC og ENCC aldrig blevet rapporteret af andre forskergrupper mest sandsynligvis på grund af de udfordringer, adskillelse. Vi har været i stand til at syntetisere og isolere forskellige fraktioner af nanoprodukter ved præcist designe reaktions- og separation trin. Denne visuelle artikel demonstrerer med komplet detaljer, hvordan man reproducerbart forberede og karakterisere de førnævnte nye nanowhiskers bærer både amorfe og krystallinske dels fra træfibre. Denne tutorial kan være et aktiv for aktive forskere inden for blødt materiale, biologiske og medicinske videnskaber, nanoteknologi og nanofotonik, miljø og teknik, og fysik.
Protocol
Representative Results
Discussion
Efter kemi diskuteret i denne visuelle papir, er et spektrum af meget stabile cellulose-baserede nanopartikler med indstillelig gebyr bærende både krystallinske og amorfe faser (behårede nanokrystallinske celluloser) produceret. Afhængig af periodat oxidation tid, som vist i tabel 1, er forskellige produkter gav: oxiderede fibre (fraktion 1), SNCC (fraktion 2), DAMC (fraktion 3), som hver give unikke egenskaber, såsom defineret størrelse, morfologi , krystallinitet, og aldehydindholdet. Yderligere…
Divulgazioni
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 | – |
Riferimenti
- 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).
