Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Nanopartikler, som en av de viktigste materialene i nanoteknologi og nanomedisin, har fått vesentlig betydning i løpet av det siste tiåret. Mens metallbaserte nanopartikler er assosiert med syntetiske og miljømessige problemer, introduserer cellulose en grønn, bærekraftig alternativ for nanopartikkel syntese. Her presenterer vi de kjemiske syntese og separasjons prosedyrer for å produsere nye klasser av hårete nanopartikler (som bærer både amorfe og krystallinske regioner) og biopolymerer basert på trefiber. Ved periodat oksydasjon av myk tremasse, er glukose ring av cellulose åpnet i C2-C3-bindingen for å danne 2,3-dialdehyd grupper. Videre oppvarming av den delvis oksyderte fibre (f.eks, T = 80 ° C) resulterer i tre produkter, nemlig fibrøs oksydert cellulose, sterisk stabiliserte nanocrystalline cellulose (SNCC), og oppløst dialdehyd modifisert cellulose (DAMC), som er godt atskilt fra hverandre ved periodisk sentrifuge og co-solvent tillegg.De delvis oksyderte fibre (uten oppvarming) ble anvendt som en svært reaktive mellomprodukt til å reagere med kloritt for å omdanne nesten alt aldehyd til karboksylgrupper. Biløsningsmiddel nedbør og sentrifugering resulterte i electrosterically stabilisert nanocrystalline cellulose (ENCC) og dicarboxylated cellulose (DCC). Aldehydet Innholdet av SNCC og dermed overflateladningen av ENCC (karboksyl-innhold) ble nøyaktig kontrollert ved å regulere perjodat oksidasjonsreaksjonstiden, noe som resulterer i meget stabile nanopartikler som bærer mer enn 7 mmol funksjonelle grupper per gram av nanopartikler (f.eks, sammenlignet med konvensjonelle NCC bærende << 1 mmol funksjonell gruppe / g). Atomkraftmikroskopi (AFM), transmisjonselektronmikroskopi (TEM), og scanning elektronmikroskopi (SEM) bekreftet den stavlignende morfologi. Konduktometrisk titrering, Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR), kjernemagnetisk resonans (NMR), dynamisk lysspredning (DLS), elektro-sonic-amplitude (ESA) og akustisk demping spektroskopi kaster lys over de overlegne egenskapene til disse nanomaterialer.
Cellulose, som den mest tallrike biopolymer i verden, har blitt servert nylig som en viktig råvare for å gi krystallinske nanopartikler kalt nanocrystalline cellulose (NCC, også kjent som cellulose nanokrystaller CNC) 1. For å forstå mekanismen for NCC syntese, må strukturen av cellulosefibre for å bli utforsket. Cellulose er en lineær og polydispergert polymer omfattende poly-beta (1,4) P-D-glukoserester 2. Sukkerringer i hver monomer er tilkoblet via glycosidic oksygen for å danne kjeder av (1-1,5) x 10 4 glukopyranoseenheter 2,3, innføre alternerende krystallinske deler og uordnede, amorfe områder, først rapportert av Nägeli og Schwendener 2,4. Avhengig av kilden, kan krystallinske deler av cellulose innta forskjellige polymorfer 5.
Hvis en cellulosefiber behandles med en sterk syre, slik som svovelsyre, kan den amorfe fase være fullstendig hydrolysert away å forstyrre polymer og produsere krystallinske partikler av ulike størrelsesforhold avhengig av kilden (for eksempel tre og bomull gi mer enn 90% krystallinske nanostaver av bredde ~ 5-10 nm og lengde ~ 100-300 nm, mens tunicin, bakterier, og alger produserer 5-60 nm bred og 100 nm til flere mikrometer lang NCCer) 6. Leserne blir henvist til den enorme mengden av litteratur tilgjengelig på de vitenskapelige og tekniske aspekter av disse nanomaterialer 2,5,7-16. Til tross for mange interessante egenskaper av disse nanopartiklene, har deres kolloidal stabilitet alltid vært et problem ved høye saltkonsentrasjoner og høy / lav pH-verdi på grunn av deres relativt lave overflateladning innhold (mindre enn 1 mmol / g) 17.
I stedet for sterk syrehydrolyse, kan cellulosefibre behandles med et oksidasjonsmiddel (perjodat), kløyving C2-C3 binding i Anhydro D-glukopyranose-rester for å danne 2,3-dialdehyd-enheter uten vesentlige sidereaksjoner 18,19. Disse delvis oksyderte fibre kan anvendes som et verdifullt mellomliggende materiale for å fremstille nanopartikler som bærer både amorfe og krystallinske områder (hårete nanokrystallinske celluloser) ved hjelp av utelukkende kjemiske reaksjoner uten noen mekanisk skjærkraft eller ultralydbehandling 20. Når den partielle oksidasjonsgraden DS <2, oppvarming oksyderte fibre resulterer i tre grupper av produkter, nemlig fibrøs cellulose, vann dispergerbar dialdehyd cellulose nanowhiskers kalt sterisk stabiliserte nanocrystalline cellulose (SNCC), og oppløst dialdehyd modifisert cellulose (DAMC), som kan isoleres med nøyaktig kontroll over biløsningsmiddel tillegg og forbigående sentrifugering 21.
Å utføre kontrollert kloritt oksydasjon på de delvis oksyderte fibre omdanner nesten alle aldehydgruppene til karboksylgrupper enheter, som kan introdusere så høy som 7 mmol COOH-grupper per gram av nanocrystalline cellulose avhengig av aldehyd innhold 18 </sup>, som fungerer som stabilisatorer. Disse nanopartikler kalles electrosterically stabilisert nanocrystalline cellulose (ENCC). Videre har det blitt bekreftet at myke lag av ladede hår-lignende utstikkende kjedene finnes på ENCC 17. Dette materialet har blitt brukt som en svært effektiv adsorbent for å absorbere tungmetallioner 22. Ladningen av disse nanopartiklene kan kontrolleres nøyaktig ved å regulere reaksjonstiden perjodat 23.
Til tross for kjente oksidasjonsreaksjoner av cellulose, er produksjonen av SNCC og ENCC aldri blitt rapportert av andre forskningsgrupper mest sannsynlig på grunn av separasjons utfordringer. Vi har vært i stand til å syntetisere og isolere forskjellige fraksjoner av nano ved nøyaktig å utforme reaksjons- og separasjonstrinn. Denne visuelle artikkelen viser med full detalj hvordan du reproduserbart forberede og karakterisere de nevnte nye nanowhiskers bærer både amorfe og krystallinske dels fra trefibre. Denne opplæringen kan være en ressurs for aktive forskere innenfor områdene mykt materiale, biologiske og medisinske fag, nanoteknologi og nanofotonikk, miljø og teknikk, og fysikk.
Etter kjemi diskutert i denne visuelle papir, er et spekter av svært stabile cellulosebaserte nanopartikler med fleksibel kostnad bærer både krystallinske og amorfe faser (hårete nanocrystalline cellulose) produsert. Avhengig av periodat oksydasjon tid, som vist i tabell 1, er ulike produkter ga: oksyderte fibre (fraksjon 1), SNCC (fraksjon 2), og DAMC (fraksjon 3) som hver for seg gir unike egenskaper, som definert størrelse, morfologi , krystalline og aldehyd innhold. Ytterligere oksydasjon av di…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 | – |