Grüne und Low-Cost-Produktion von thermisch stabil und carboxylierte Cellulose-Nanokristalle und Nanofibrillen Mit Recycelbares Dicarbonsäuren
Summary
Hier zeigen wir ein neues Verfahren für grüne und nachhaltige Produktion von thermisch hochstabile und carboxylierte Cellulose-Nanokristalle (CNC) und Nanofibrillen (CNF) sehr gut recyclebar feste Dicarbonsäuren mit.
Abstract
Hier zeigen wir potenziell niedrigen Kosten und grüne Produktionen von hoher thermisch stabil und carboxylierte Cellulose-Nanokristalle (CNCs) und Nanofibrillen (CNF) aus gebleichtem Eukalyptus-Zellstoff (BEP) und rohen gemischten Hartholz-Kraftzellstoff (UMHP) Fasern sehr gut recyclebar Dicarbons festen Säuren. Typische Betriebsbedingungen waren Säurekonzentrationen von 50 bis 70 wt% bei 100 ° C für 60 min und 120 ° C (kein Sieden bei Atmosphärendruck) für 120 min, für BEP und UMHP, respectively. Die resultierenden CNCs haben eine höhere thermische Zersetzungstemperatur als die entsprechenden Zuleitungsfasern und Carbonsäuregruppengehalt von 0,2 bis 0,4 mmol / g. Die geringe Festigkeit (hohe pKa von 1,0 bis 3,0) von organischen Säuren führte auch in CNC-Steuerungen mit den beiden längeren Längen von etwa 239 bis 336 nm und eine höhere Kristallinität als CNCs Mineralsäuren hergestellt werden. Cellulose Verlust an Zucker war minimal. Faserige Cellulose-feste Rückstand (FCSR) aus der Dicarbonsäure Hydrolyse wurde verwendet, umcarboxylierten CNF durch nachfolgende mechanische Flimmern mit geringem Energieaufwand herzustellen.
Introduction
Eine nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung erfordert Einsatzmaterialien, die erneuerbare und biologisch abbaubar, sondern auch verwendet, grüne und umweltfreundliche Produktionstechnologien verwenden, um eine Vielzahl von Bioprodukten und Biochemikalien aus diesen nachwachsenden Rohstoffen produzieren nicht nur. Cellulose Nanomaterialien, wie Cellulose – Nanokristalle (CNC) und Cellulose – Nanofibrillen (CNF), hergestellt aus nachwachsenden Lignocellulosen sind biologisch abbaubar und haben einzigartige mechanische und optische Eigenschaften , die für die Entwicklung einer Reihe von Bioproducts 1, 2. Leider bestehende Technologien zur Herstellung von Cellulose – Nanomaterialien sind entweder energieintensiv als rein mechanische Fibrillation oder ökologisch nicht vertretbar wegen Nicht Recycling oder unzureichende Recycling von Prozesschemikalien verwendet, wie zum Beispiel , wenn die konzentrierte Mineralsäure Hydrolyse 3-8 oder Oxidationsverfahren unter Verwendung von 9- 11. Darüber hinaus können Methoden Oxidation produzieren auch umwelt toxische Kompounds durch mit Lignocellulose zu reagieren. Daher zur Herstellung von Cellulose-Nanomaterialien grün Fertigungstechnologien zu entwickeln, ist von entscheidender Bedeutung, die volle Nutzung der reichlich vorhandenen und nachwachsenden Rohstoffen zu machen – Lignocellulose.
Mit saure Hydrolyse Hemicellulose zu lösen und depolymerisieren Cellulose ist ein wirksamer Ansatz für Cellulose-Nanomaterialien zu erzeugen. Feste Säuren wurden für die Zuckerproduktion aus Zellulose mit dem Vorteil der Lockerung Säurerückgewinnung 12, 13 verwendet. Frühere Studien konzentrierten Mineralsäuren verwendet wurden, zeigten , dass eine niedrigere Säurekonzentration verbessert CNC – Ausbeute und Kristallinität 3, 5. Dies deutet darauf hin , dass eine starke Säure Cellulosekristalle beschädigen können , während ein milder Säurehydrolyse könnten die Eigenschaften und die Ausbeute an Cellulose Nanomaterialien durch den Ansatz der integrierten Produktion und CNC mit CNF 3, 14 zu verbessern. Hier dokumentieren wir ein Verfahren konzentrierten festen Dicarbonsäuren Hydrolyse unter Verwendung von zu produce CNC zusammen mit CNF 15. Diese Dicarbonsäuren haben eine geringe Löslichkeit bei niedrigen oder Umgebungstemperaturen, und daher können sie leicht durch die mature Kristallisationstechnologie gewonnen werden. Sie haben auch eine gute Löslichkeit bei erhöhten Temperaturen, die ohne zu kochen oder mit Druckbehältern konzentrierte saure Hydrolyse erleichtert. Da diese Säuren haben auch einen höheren pKa als typische Mineralsäuren für die CNC-Fertigung verwendet werden, ihre Verwendung führt zu einer guten CNC Kristallinität und trotz geringerer CNC Erträge, mit einer erheblichen Menge von zellulosehaltigen Faser festen Rückstand (FCSR oder teilweise hydrolysierten Fasern) verbleibenden aufgrund unvollständige Cellulose Depolymerisation. Die FCSR kann verwendet werden, CNF durch nachfolgende mechanische Fibrillation zu erzeugen, geringer Energieeingänge. Deshalb, um Zucker Cellulose Verlust ist minimal im Vergleich zu den Mineralsäuren.
Es ist gut bekannt , dass Carbonsäuren mit 16 Cellulose durch Fisher-Speier Veresterungsverfahren verestern kann. Dicarbonsäuren Anwendung zu Cellulose in semi-Säure unvernetzten Ester 17 (oder Carboxylierung) zur Folge haben kann, carboxylierten CNC und CNF zu produzieren , wie wir 15 zuvor gezeigt. Die Methode, die hier dokumentiert können carboxylierte und thermisch stabil CNF und CNC produzieren, die auch entweder aus gebleichtem oder ungebleichtem Breie hochkristallin ist, während relativ einfach und hohe Chemikalienrückgewinnung und mit geringem Energieeingänge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die dickeren CNC Durchmesser der CNC Proben aus Maleinsäure Hydrolyse führte zu einer moderaten mittleren Aspektverhältnis 7,24 und 8,53 für die CNCs von BEP und UMHP bzw. trotz ihrer langen Längen wie oben diskutiert. Die CNFs hatte eine größere Länge und einen dünneren Durchmesser, die in einem großen Aspektverhältnis von 13,9 und 19,0 resultiert, für die CNCs von BEP und UMHP jeweils beide größer als ihre jeweiligen CNCs. Es ist möglich, starke mechanische Fibrillation zu verwenden CNF Durchmesser zu r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durchgeführt, während Bian, Chen und Wang Ph.D. waren zu Besuch Studenten an der US Forest Service, Forest Products Laboratory (FPL), Madison, WI, und auf offiziellen Regierungszeit von Zhu. Diese Arbeit wurde teilweise durch die USDA Landwirtschaft und Ernährung Research Initiative (AFRI) Competitive Grant (Nr 2011-67009-20056), der chinesischen Staatlichen Forstverwaltung (Projekt Nr 2015-4-54), der National Natural Science Foundation unterstützt von China (Projekt-Nr 31470599), Guangzhou Elite Project of China und China Scholarship Fund. Die Finanzierung aus diesen Programmen die Besuchstermine von Bian, Chen und Wang bei FPL möglich.
Materials
| Bleached eucalypus pulp | Aracruz Cellulose | ||
| Unbleached mixed hardwood kraft pulp | International Paper | ||
| Maleic acid | Sigma-Aldrich | M0375-1KG/CAS110-16-7 | Powder; assay: 99.0%(HPLC) |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-4L/CAS56-81-5 | |
| Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8 | Certified ACS |
| Sodium chloride | Mallinckrodt | 7581-12/CAS7647-14-5 | Crystal,AR |
| Cupriethylenediamine solution | GFS Chemicals | E32103-1L/CAS14552-35-3 | 1M, for determination of solution viscosity of pulps |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-500/CAS67-64-1 | Certified ACS |
| Accu-TestTM Vials for COD Testing | Bioscience,Inc. | 01-215-28 | COD testing for 20 to 900mg/L standard range concentration |
| Heating plate | IKA | Mode: C-MAD HS7 digital | |
| Magnetic stir bar | ACE Glass | ||
| Pyrex three-neck round-bottom flask | Sigma-Aldrich | CLS4965B500-1EA | |
| Dialysis tubing cellulose membrane | Sigma-Aldrich | D9402-100FT | Typical molecular weight cut-off = 14000 |
| Disposable aluminum dishes | Sigma-Aldrich | Z154857-1PAK | Circles, 60mm |
| Disintegrator | Testing Machines Inc.(TMI) | ||
| Microfluidizer | Microfluidics Corporation | ||
| Sonicator | Qsonica LLC. | Mode: 3510R-MT, 50-60 Hz,180 W | |
| Zeta potential analyzer | Brookhaven Instruments Corporation | ||
| FTIR | PerkinElmer | ||
| Conductometric titrator | Yellow Springs Instrument (YSI) | ||
| TGA analyzer | PerkinElmer | ||
| X-ray diffractometer | Bruker Corporation | ||
| AFM imging | AFM Workshop | ||
| SEM imaging | Carl Zeiss |
References
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