Hochstabile, funktionelle Hairy Nanopartikel und Biopolymere aus Holzfasern für eine nachhaltige Nanotechnologie
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanopartikel, als eines der wichtigsten Materialien in der Nanotechnologie und der Nanomedizin, haben erhebliche Bedeutung in der letzten Dekade gewonnen. Während metallbasierte Nanopartikel mit synthetischen und Umwelt Ärger verbunden sind, stellt Zellulose eine grüne, nachhaltige Alternative für Nanopartikelsynthese. Hier präsentieren wir die chemische Synthese und Trennverfahren, um neue Klassen von haarigen Nanopartikel produzieren und Biopolymere auf Holzfasern (sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche Lager). Durch Oxidation mit Periodat aus Weichholz Zellstoff wird der Glukosering aus Cellulose an der C2-C3-Bindung geöffnet 2,3-Dialdehyd Gruppen zu bilden. Weiteres Erhitzen der partiell oxidierten Fasern (beispielsweise T = 80 ° C) führt zu drei Produkte, nämlich faserigen oxidierte Cellulose, sterisch stabilisierten nanokristallinem Cellulose (SNCC) und gelösten Dialdehyd modifizierte Cellulose (DAMC), die durch intermittierende Zentrifugation gut getrennt sind und Co-Lösungsmittelzugabe.Die teilweise oxidierten Fasern (ohne Heizung) wurden als ein hochreaktives Zwischenprodukt verwendet, um mit Chlorit reagieren fast alle Aldehyds zu Carboxylgruppen umgewandelt werden. Co-Lösungsmittelfällung und Zentrifugation führte in elektrosterical stabilisiert nanokristallinem Cellulose (ENCC) und dicarboxylierten Cellulose (DCC). Der Aldehydgehalt von SNCC und folglich Oberflächenladung von ENCC (Carboxylgehalt) wurden genau gesteuert , indem die Periodat – Oxidation Reaktionszeit zu steuern, was zu einer sehr stabilen Nanoteilchen mehr als 7 mmol funktionelle Gruppen pro Gramm Nanopartikel (zB trägt, im Vergleich zu herkömmlichen NCC Lager << 1 mmol funktionelle Gruppe / g). Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bezeugt das stabförmige Morphologie. Konduktometrischen Titration, Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie (FTIR), Kernspinresonanz (NMR), dynamische Lichtstreuung (DLS), elektrokinetischer-sONIC-Amplitude (ESA) und akustische Dämpfung Spektroskopie Schuppen Licht auf die überlegenen Eigenschaften dieser Nanomaterialien.
Introduction
Cellulose, das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Welt, wurde vor kurzem als ein wichtiger Rohstoff diente kristallinen Nanopartikel genannt nanokristallinem Cellulose zu ergeben (NCC, auch als Cellulose – Nanokristalle bekannt CNC) 1. Um den Mechanismus der NCC-Synthese zu verstehen, muss die Struktur der Cellulosefasern untersucht werden. Cellulose ist ein lineares und polydispersen Polymers , das Poly-beta (1,4) -D-Glucosereste 2. Die Zuckerringe in jedem Monomer durch glycosidische Sauerstoff verbunden Ketten (1-1,5) x 10 4 Glucopyranose – Einheiten 2,3, zu bilden kristalline Teile und ungeordnete, amorphe Bereiche Einführung abwechselnd berichtete zuerst von Nägeli und Schwendener 2,4. Je nach Quelle, kristallinen Teile von Cellulose können verschiedene Polymorphe 5 annehmen.
Wenn eine Cellulosefaser mit einer starken Säure, wie Schwefelsäure behandelt wird, kann die amorphe Phase vollständig hydrolysiert sein AWAy das Polymer zu stören und kristallinen Teilchen verschiedener Seitenverhältnis erzeugen abhängig von der Quelle (zB Holz und Baumwolle Ausbeute mehr als 90% kristallinen Nanostäbchen mit einer Breite von ~ 5-10 nm und einer Länge ~ 100-300 nm, während tunicin, Bakterien, und Algen produzieren 5-60 nm breit und 100 nm bis zu einigen Mikrometer lang NCC) 6. Leser werden auf die große Menge an Literatur über die wissenschaftlichen und technischen Aspekte dieser Nanomaterialien 2,5,7-16 bezeichnet. Trotz zahlreicher interessanten Eigenschaften dieser Nanopartikel, ihre kolloidale Stabilität hat immer ein Problem bei hohen Salzkonzentrationen gewesen und hohe / niedrige pH – Wert aufgrund ihrer relativ geringen Oberflächenladung Gehalt (weniger als 1 mmol / g) 17.
Anstelle von starken Säurehydrolyse, Cellulosefasern mit einem Oxidationsmittel (Periodat) behandelt werden, C2-C3 – Bindung in den Anhydro – D-glucopyranose Resten spalten ohne signifikante Nebenreaktionen 2,3-Dialdehyd – Einheiten zu bilden 18,19. Diese partiell oxidierten Fasern können als wertvolle Zwischenmaterial verwendet werden Nanopartikel zu erzeugen , die sowohl amorphe und kristalline Bereiche Lager (behaarten nanokristallinem Cellulosen) unter Verwendung von ausschließlich chemische Reaktionen ohne mechanische Scher oder Ultraschall 20. Wenn der partielle Oxidationsgrad DS <2, Heizung Ergebnisse Fasern oxidierte Nanowhiskern in drei Chargen von Produkten, nämlich faserigen Cellulose, Wasser dispergierbaren Dialdehydcellulose sterisch stabilisierten nanokristallinem Cellulose (SNCC) genannt, und Dialdehyd modifizierte Cellulose (DAMC) gelöst, die isoliert werden können durch präzise Kontrolle über die Co-Lösungsmittelzugabe und intermittierende Zentrifugation 21.
Durchführen kontrollierter Oxidation Chlorit auf dem teilweise oxidierten Fasern umwandelt fast alle Aldehydgruppen zu Carboxylgruppen Einheiten, die so hoch wie 7 mmol COOH – Gruppen pro Gramm Cellulose nanokristallinem einführen kann in Abhängigkeit von der Aldehydgehalt 18 </sup>, als Stabilisatoren wirken. Diese Nanopartikel sind elektrosterical stabilisiert nanokristallinem Cellulose (ENCC) genannt. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass weiche Schichten geladener haarähnlichen vorragende Ketten existieren auf ENCC 17. Dieses Material wurde als hochwirksames Adsorptionsmittel zum Abfangen von Schwermetallionen 22 verwendet. Die Ladung dieser Nanopartikel kann genau durch die Steuerung der Periodat Reaktionszeit 23 gesteuert werden.
Trotz bekannter Oxidationsreaktionen der Cellulose, die Herstellung von SNCC und ENCC hat nie durch andere Forschergruppen höchstwahrscheinlich aufgrund der Trennung Herausforderungen berichtet. Wir konnten erfolgreich zu synthetisieren und zu verschiedenen Fraktionen von Nano-Produkte zu isolieren, indem sie die Reaktions- und Trennschritte genau zu entwerfen. Diese visuelle Artikel zeigt, mit allen Einzelheiten, wie reproduzierbar die vorstehend genannten neuen Nanowhisker vorzubereiten und zu charakterisieren, die sowohl amorphe und kristalline Teil Lagers aus Holzfasern. Dieses Tutorial kann eine Bereicherung für aktive Forscher in den Bereichen weichen Material, biologischen und medizinischen Wissenschaften, Nanotechnologie und Nano-Photonik, Umwelt- und Ingenieurwissenschaften und Physik sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Im Anschluss an die Chemie in dieser visuellen Papier diskutiert, ein Spektrum von hochstabile Cellulosebasis Nanopartikel mit abstimmbaren Ladung sowohl kristalline als auch amorphe Phasen (behaarten nanokristallinem Cellulosen) tragen hergestellt. Je nach der Periodat – Oxidation Zeit, wie in Tabelle 1 verschiedene Produkte gezeigt ergab: oxidierten Fasern (Fraktion 1), SNCC (Fraktion 2) und DAMC (Fraktion 3) , von denen jeder die Bereitstellung einzigartige Eigenschaften, wie definierte Größe, Morp…
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
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