Produção-Baixo custo de verde e de estabilidade térmica e carboxilado Celulose Nanocristais e nanofibrilas Usando altamente reciclável Dicarboxílicos Acids
Summary
Aqui demonstramos um novo método para produções verdes e sustentáveis de nanocristais altamente termicamente estáveis e carboxilados de celulose (CNC) e nanofibrilas (CNF) utilizando ácidos dicarboxílicos sólidos altamente recicláveis.
Abstract
Aqui demonstramos potencialmente baixo custo e produções verdes de nanocristais altas termicamente estáveis e carboxilados de celulose (CNCS) e nanofibrilas (CNF) de pasta branqueada de eucalipto (BEP) e fibras de madeira mista pasta kraft branqueada (UMHP), utilizando ácidos sólidos dicarboxílicos altamente reciclável. Condições de operação típicas foram as concentrações de ácido de 50 – 70% em peso a 100 ° C durante 60 min e 120 ° C (não de ebulição à pressão atmosférica) durante 120 minutos, para BEP e UMHP, respectivamente. O CNCS resultantes têm uma temperatura de degradação térmica mais elevada do que os seus correspondentes fibras de alimentação e o conteúdo do grupo de ácido carboxílico 0,2-0,4 mmol / g. A força de baixo (pKa elevado de 1,0-3,0) de ácidos orgânicos também resultou em CNCs com ambos os comprimentos mais longos de cerca de 239-336 nm e mais elevada cristalinidade do que CNCs produzido usando ácidos minerais. perda de celulose em açúcar foi mínima. Fibrosa celulósica resíduo sólido (FCSR) a partir da hidrólise de ácido dicarboxílico foi usada paraproduzir CNFs carboxilados através posterior atrial mecânico com entrada de baixa energia.
Introduction
desenvolvimento económico sustentável exige não só utilizando matérias-primas que são renovável e biodegradável, mas também utiliza tecnologias de fabricação verde e amiga do ambiente para produzir uma variedade de bioprodutos e bioquímicos destas matérias-primas renováveis. Nanomateriais celulose, tais como celulose nanocristais (CNC) e nanofibrilas de celulose (CNF), produzidos a partir de lignoceluloses renováveis são biodegradáveis e têm propriedades mecânicas e ópticas únicas adequadas para o desenvolvimento de uma variedade de bioprodutos 1, 2. Infelizmente, as tecnologias existentes para a produção de nanomateriais de celulose são ou intensiva de energia ao usar desfibramento mecânico puro ou ambientalmente insustentável devido à não-reciclagem ou reciclagem insuficiente de produtos químicos de processamento, tais como quando se utiliza o processo de hidrólise ácida mineral concentrado 3-8 ou oxidação métodos 9- 11. Além disso, métodos de oxidação também pode produzir COMPO ambientalmente tóxicoUNDOS por reacção com lignoceluloses. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias de fabricação verde para a produção de nanomateriais de celulose é criticamente importante para a plena utilização do material abundante e renovável – lignocelulose.
Utilizando hidrólise ácida para dissolver a hemicelulose e celulose despolimerizar é uma abordagem eficaz para a produção de celulose nanomateriais. Ácidos sólidos têm sido utilizados para a produção de açúcar a partir de celulose, com a vantagem de facilitar a recuperação do ácido 12, 13. Estudos anteriores, usando ácidos minerais concentrados indicou que a concentração de ácido menor rendimento melhorado CNC e cristalinidade 3, 5. Isto sugere que um ácido forte pode danificar os cristais de celulose, enquanto uma hidrólise ácida mais suave pode melhorar as propriedades e o rendimento dos nanomateriais de celulose através da abordagem de produção integrada e CNC com CNF 3, 14. Aqui nós documentar um método que utiliza ácidos dicarboxílicos sólida hidrólise concentrado para produce CNC junto com CNF 15. Estes ácidos dicarboxílicos tem baixa solubilidade a temperaturas baixas ou à temperatura ambiente, e, portanto, eles podem ser facilmente recuperado através de cristalização a tecnologia madura. Eles também têm boa solubilidade a temperaturas elevadas que facilita a hidrólise ácida concentrada sem ferver ou usar vasos de pressão. Uma vez que estes ácidos também tem um pKa maior do que os ácidos minerais típicos usados para a produção de CNC, o seu uso resulta em boa cristalinidade CNC, e apesar de menor rendimento CNC, com uma quantidade substancial de resíduo sólido fibrosas celulósicas (FCSR ou fibras parcialmente hidrolisados) restantes devido despolimerização de celulose incompleta. O FCSR pode ser usado para produzir CNF através subsequente desfibramento mecânico utilizando entradas de baixa energia. Portanto, a perda de celulose em açúcares é mínima em comparação com o uso de ácidos minerais.
É bem conhecido que os ácidos carboxílicos podem esterificar celulose através de Fisher-Speier esterificação 16. Aplicando ácidos dicarboxílicos a celulose pode resultar em semi-ácido ésteres un-reticuladas 17 (ou carboxilação), para produzir carboxilado CNC e CNF como demonstramos 15 anteriormente. O método documentado aqui pode produzir carboxilado e termicamente estável CNF e CNC, que também é altamente cristalino a partir de polpas quer branqueada ou crua ao ter de recuperação química relativamente simples e de alta e usando entradas de baixa energia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os diâmetros mais espessas CNC das amostras CNC da hidrólise ácido maleico resultou numa razão moderada de aspecto média 7,24 e 8,53, para o CNCS de BEP e UMHP, respectivamente, apesar de os seus comprimentos longos, como discutido acima. O CNFs tinha um comprimento maior e um diâmetro mais fino, o que resultou num grande proporção de 13,9 e 19,0 aspecto, para o CNCS de BEP e UMHP, respectivamente, ambos maiores do que a sua respectiva CNCs. É possível utilizar grave desfibramento mecânico para reduzir diâme…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi realizado enquanto Bian, Chen e Wang foram visitar Ph.D. alunos do Serviço Florestal dos EUA, Forest Products Laboratory (FPL), Madison, WI, e sobre o tempo oficial do governo Zhu. Este trabalho foi parcialmente financiado pelo USDA Agriculture and Food Research Initiative (AFRI) Grant Competitivo (No. 2011-67009-20056), o Estado chinês Administração Florestal (Projeto No. 2015-4-54), a Fundação Nacional de Ciências Naturais de China (Projecto No. 31.470.599), Guangzhou Projeto Elite da China, e Scholarship Fund China. Financiamento destes programas feitos os compromissos que visitam de Bian, Chen e Wang em FPL possível.
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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