Sterk Stabiel, Functioneel Hairy Nanodeeltjes en Biopolymeren uit houtvezels: Towards Sustainable Nanotechnologie
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanodeeltjes, als een van de belangrijkste materialen in de nanotechnologie en nanogeneeskunde, hebben groot belang verworven in het afgelopen decennium. Terwijl metaal gebaseerde nanodeeltjes geassocieerd met synthetische en milieu gedoe, cellulose introduceert een groen, duurzaam alternatief voor nanodeeltjes synthese. Hier presenteren we de chemische synthese en scheidingsprocedures om nieuwe klassen van harige nanodeeltjes (met zowel amorfe als kristallijne gebieden) en biopolymeren op basis van houtvezels. Door perjodaatoxidatie van zachthout pulp, glucosegehalte ring van cellulose aan de C2-C3 binding geopende 2,3-dialdehyde-groepen. Verder verwarmen van de gedeeltelijk geoxideerde vezels (bijvoorbeeld T = 80 ° C) resulteert in drie producten, namelijk vezelig geoxideerde cellulose, sterisch gestabiliseerde nanokristallijne cellulose (SNCC), en opgelost dialdehyde gemodificeerde cellulose (DAMC), die goed gescheiden door intermitterende centrifugeren en bovendien co-oplosmiddel.De gedeeltelijk geoxideerde vezels (zonder verwarming) werden als één zeer reactieve tussenproduct te laten reageren met chloriet voor het omzetten van vrijwel alle aldehydegroepen tot carboxylgroepen. Co-solvent neerslag en centrifugeren resulteerde in electrosterically gestabiliseerd nanokristallijne cellulose (ENCC) en dicarboxylated cellulose (DCC). Het aldehydegehalte SNCC en dientengevolge oppervlaktelading van ENCC (carboxylgehalte) werden nauwkeurig geregeld door de perjodaatoxidatie reactietijd, wat resulteert in zeer stabiele nanodeeltjes lager dan 7 mmol functionele groepen per gram nanodeeltjes (bijvoorbeeld in vergelijking met conventionele NCC lager << 1 mmol functionele groep / g). Atomic force microscopie (AFM), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en scanning elektronenmicroscopie (SEM) getuigt het staafvormige morfologie. Conductormetrische titratie Fourier transformatie infrarood spectroscopie (FTIR), kernmagnetische resonantie (NMR), dynamische lichtverstrooiing (DLS), elektrokinetische-sONIC-amplitude (ESA) en akoestische demping spectroscopie licht werpen op de superieure eigenschappen van deze nanomaterialen.
Introduction
Cellulose, de meest voorkomende biopolymeer in de wereld, is recentelijk als een belangrijke grondstof kristallijne nanodeeltjes genoemde nanokristallijne cellulose (NCC, ook bekend als cellulose nanokristallen CNC) 1 verkregen. Het mechanisme van NCC synthese begrijpen, de structuur van cellulosevezels onderzocht moet worden. Cellulose is een lineair polymeer en polydispers omvattende poly-beta (1,4) -D-glucose residuen 2. De suiker ringen in elk monomeer zijn verbonden door glucosidebindingen zuurstof aan ketens van (1-1,5) vormen 10 x 4 glucopyranose-eenheden 2,3, de invoering van afwisselende kristallijne delen en wanordelijke, amorfe gebieden, voor het eerst gemeld door Nageli en Schwendener 2,4. Afhankelijk van de bron, kunnen kristallijne delen van cellulose verschillende polymorfe 5 vast te stellen.
Als een cellulosevezel wordt behandeld met een sterk zuur, zoals zwavelzuur, de amorfe fase kan volledig gehydrolyseerd zijn away het polymeer verstoren gebruiken en kristallijn deeltjes van verschillende aspectverhouding afhankelijk van de bron (bijvoorbeeld, hout en katoen opbrengst meer dan 90% kristallijn nanorods met breed ~ 5-10 nm en lengte ~ 100-300 nm, terwijl wordt gemaakt, bacteriën, en algen produceren 5-60 nm breed en 100 nm tot enkele micrometer lang NCC's) 6. Lezers wordt verwezen naar de enorme hoeveelheid literatuur over de wetenschappelijke en technische aspecten van deze nanomaterialen 2,5,7-16. Ondanks talrijke interessante eigenschappen van deze nanodeeltjes heeft de colloïdale stabiliteit altijd een probleem bij hoge zoutconcentraties en hoge / lage pH als gevolg van de relatief lage oppervlaktelading (minder dan 1 mmol / g) 17.
In plaats van sterk zure hydrolyse, kunnen cellulosevezels te behandelen met een oxidatiemiddel (perjodaat), splitsen C2-C3 binding in de anhydro-D glucopyranose resten 2,3-dialdehyde eenheden zonder significante nevenreacties 18,1 vormen9. Deze gedeeltelijk geoxideerde vezels kunnen worden gebruikt als een waardevol tussenprodukt nanodeeltjes met zowel amorfe als kristallijne gebieden (hairy nanokristallijne celluloses) uitsluitend volgens chemische reacties zonder mechanische afschuiving of ultrasone trillingen 20. Wanneer de partiële oxidatie graad DS <2, verwarming geoxideerde vezels resulteert in drie partijen producten, namelijk vezelig cellulose, water dispergeerbare dialdehydecellulose nanowhiskers noemde sterisch gestabiliseerde nanokristallijne cellulose (SNCC), en opgelost dialdehyde gemodificeerde cellulose (DAMC), die kunnen worden geïsoleerd door nauwkeurige controle over de co-solvent toevoeging en intermitterende centrifugeren 21.
Uitvoeren chloriet gecontroleerde oxydatie op de gedeeltelijk geoxideerde vezels converteert bijna alle aldehydegroepen eenheden, die kan oplopen tot 7 mmol COOH groepen per gram nanokristallijne cellulose kunnen invoeren, afhankelijk van het aldehydegehalte 18 carboxyl </sup>, als stabilisatoren. Deze nanodeeltjes worden genoemd electrosterically gestabiliseerd nanokristallijne cellulose (ENCC). Voorts is bevestigd dat zachte lagen van geladen haarachtige vooruitstekende ketens bestaan op ENCC 17. Dit materiaal werd gebruikt als een zeer efficiënte adsorbens zware metaalionen 22 vangen. De kosten van deze nanodeeltjes kunnen nauwkeurig worden geregeld door de reactietijd 23 perjodaat.
Ondanks bekende oxidatiereacties van cellulose, is de productie van SNCC en ENCC niet beschreven door andere onderzoeksgroepen hoogstwaarschijnlijk het gevolg van de scheiding uitdagingen. We zijn erin geslaagd om met succes te synthetiseren en isoleren van diverse fracties van nanoproducten door precies het ontwerpen van de reactie en scheiding stappen geweest. Dit visuele artikel toont met volledige detail hoe reproduceerbaar te bereiden en karakteriseren van de genoemde roman nanowhiskers met zowel amorfe en kristallijne deels uit houtvezels. Deze tutorial kan een troef voor actieve onderzoekers op het gebied van zacht materiaal, biologische en medische wetenschappen, nanotechnologie en nanofotonica, milieu-wetenschap en techniek, en physics zijn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Na de chemie die in dit document visueel een spectrum van zeer stabiele cellulose gebaseerde nanopartikels met instelbare lading met zowel kristallijne als amorfe fasen (hairy nanokristallijne celluloses) geproduceerd. Afhankelijk van de perjodaatoxidatie tijd, zoals getoond in Tabel 1, worden producten verkregen: geoxideerde vezels (fractie 1), SNCC (fractie 2), en DAMC (fractie 3) die elk van unieke eigenschappen, zoals gedefinieerd grootte, morfologie , kristalliniteit en aldehydegehalte. Verdere oxi…
Disclosures
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).
