Nanocellulose, 리그닌의 날조 된 자립형 필름, 및 합성 폴리 양이온 : Biomimicking 나무를 향하여
Summary
이 연구의 목적은 계층 별 nanocellulose 원 섬유의 조립 및 묽은 수성 현탁액을 조립 절연 리그닌을 사용하여 합성 식물 세포벽 조직을 형성하는 것이었다. 수정 진동자 마이크로 밸런스 및 원자 힘 현미경의 표면 측정 기술은 중합체 – 고분자 나노 복합 재료의 형성을 모니터링하는 데 사용 하였다.
Abstract
우디 물질은 다당류 및 리그닌 구조 중합체로 구성된 적층 이차 세포벽을 포함 식물 세포벽으로 구성된다. 수용액에서 반대로 대전 된 분자의 어셈블리에 의존 계층 별 (LBL) 조립 공정이 리그닌 산화 nanofibril 셀룰로오스 (NFC)의 절연 나무 중합체의 자립 복합 필름을 작성하는 데 사용 하였다. 이러한 음으로 하전 된 중합체의 조립을 용이하게하기 위해, 양으로 대전 된 고분자 전해질은 폴리 (diallyldimethylammomium 클로라이드) (PDDA)은이 간략화 된 모델 세포벽을 만드는 링킹 층으로 사용 하였다. 계층화 된 흡착 공정이 분산 모니터링 (QCM-D) 및 타원 편광으로 석영 크리스탈 마이크로 저울을 사용하여 정량적으로 연구되었다. 결과는 흡착 층 당 층 질량 / 두께 층의 총 수의 함수로 증가했다는 것을 보여 주었다. 흡착 층의 표면에 따르면는 원자 힘 현미경 (AFM)으로 조사 하였다.모든 증착 사이클 리그닌과 표면의 전체 범위는 시스템에 대해 발견 된, 그러나, NFC 의해 표면 범위는 층의 수가 증가 하였다. 흡착 공정은 셀룰로오스 아세테이트 (CA) (250) 기판 상에 사이클 (500 이중층)을 행했다. CA 기판 나중에 아세톤 때 투명한 독립 LBL 조립 나노 복합물 필름을 얻었다. 골절 단면의 주사 전자 현미경 (SEM)은 라멜라 조직을 보였으며, 흡착 사이클 (PDDA-리그닌 PDDA-NC) 당 두께는 연구에서 사용되는 2 개의 다른 리그닌 타입에 17 nm의 것으로 추정되었다. 데이터는 nanocellulose 리그닌이 공간적으로 기본 세포벽에서 관찰되는 것과 유사한 나노 (고분자 – 고분자 나노 복합 재료)에 증착 고도의 제어 구조를 가진 필름을 나타냅니다.
Introduction
광합성 식물에 의해 격리 된 탄소가 현재 CO 2 사이클의 일부로서, 바이오 매스에서 추가 화학 물질과 연료를 유도하기 위해 큰 관심이 있습니다. 격리 된 탄소 (42-44%)의 대부분은 셀룰로오스의 형태, 1-4 결합 된 글루 코피 라노스 단위를 β로 이루어지는 중합체이고; 가수 분해 할 때, 포도당이 주류 기반 연료에 발효 차 반응물로서 사용될 수있다. 그러나, 나무가 우거진 식물의 세포벽 구조는 자연 환경 1 저하에 저항하는 물질을 생성 수천년 동안 진화했다. 이 안정성을 통해 포도당으로 셀룰로오스, 접근하기 어려운 분리 및 분석하고 에너지 작물 등의 목질 재료의 가공 산업에 전달한다. 이차 전지의 벽의 미세 구조에 가까이는 리그닌과 밑단의 무정형 매트릭스에 포함 된 계층 paracrystalline 셀룰로오스 미세 섬유로 구성된 고분자 나노 복합체임을 보여2-4 icelluloses. 길이 방향으로 배향 셀룰로오스 마이크로 피 브릴은 번들 5 큰 단위를 형성하는 다른 헤테로 다당류와 함께 응집되어 약 2-5 ㎚의 직경을 가지고. 브릴 번들 glucoronoxylan 4와 같은 다른 이종 다당류에 약간의 연계와 페닐 프로판올 단위의 무정형 고분자로 구성된 리그닌 헤미셀룰로오스 단지에 포함됩니다. 또한,이 구조는 더 lignified 이차 세포벽 6-8 걸쳐, 레이어, 또는 박편으로 구성된다. 셀룰라 제와 같은 효소는, 그것이 그 피 브릴의 형태로 발견 리그닌에 포함 된 셀 벽 내 셀룰로오스에 액세스하는 매우 어려운 시간을있다. 진정으로 바이오 기반 연료와 신 재생 화학 플랫폼을 현실로 만들기의 요점은 경제적으로 네이티브 형태의 셀룰로오스의 당화 수 있도록 프로세스를 개발하는 것입니다.
새로운 화학 및 이미징 기술은 보안 목표 명세서에 은닉되어셀룰로오스 9,10의 당화에 관여하는 메커니즘의 UDY. 많은 작업은 공 초점 라만 촬상 (11)과 칸막이 벽의 화학적 조성 및 형태를 연구하는 원자 힘 현미경 (12)을 중심으로하고있다. 바싹 탈 리그닌 및 당화의 메커니즘을 수행 할 수 있다는 것은 포도당 셀룰로오스의 전환에 영향을 미치는, 앞으로 중요한 단계입니다. 모델 셀룰로오스 표면의 당화는 분산 모니터링 (QCM-D) (13)와 수정 진동자 마이크로 밸런스와 효소의 운동 속도를 측정함으로써 분석 하였다. 그러나, 네이티브 세포벽은 전술 한 바와 같이 매우 복잡하고, 이는 다른 전환 공정은 식물 세포벽 (중합체 분자량, 화학 결합, 기공율)의 구조를 변경하는 방법의 모호함을 만든다. 알려진 구조 성분과 세포벽 물질의 자립형 모델은 이러한 문제를 해결하고 첨단 화학 및 이마 기에 샘플의 통합을 허용 할 것NG 장비.
세포벽 모델의 부족과 몇 가지 가능한 고분자 재료의 혼합으로 분류 셀룰로오스 또는 박테리아 셀룰로오스 14, 효소 중합 리그닌 다당류 복합체 15-17, 모델의 표면을 18 ~ 21 재생 될 수 있습니다. 세포벽을 닮은 시작 일부 모델은 리그닌 전구체 또는 마이크로 피 브릴 셀룰로오스의 형태로 존재하는 효소 중합 유사체를 포함하는 시료이다. 그러나이 자료는 조직 계층 구조의 부족으로 고통 받고 있습니다. 조직 구조와 나노 복합 재료의 제작을위한 간단한 경로는 조직의 다층 복합 필름 22-25을 형성 상보 책임 또는 작용기를 가진 중합체 또는 나노 입자의 순차적 인 흡착에 기초하여 계층 별 (LBL) 어셈블리 기술이다. LBL 폴리머의 증착 및 NA에 의해 높은 강도의 자립형 하이브리드 나노 복합 재료,noparticles, Kotov 고 등. 26-30에 의해보고되었다. 많은 다른 응용 중에서도 LBL 필름은 또한 치료 대금 31, 연료 전지 막 (32,33), 배터리 (34), 및 리그 노 셀룰로오스 섬유 표면 개질 35-37에서의 잠재적 인 사용을 위해 연구되었다. 나노 셀룰로오스의 최근 관심 기반의 복합 재료는 셀룰로오스 섬유의 황산 가수 분해하고, 양전하를 띤 고분자 전해질 38-43으로 제조 셀룰로오스 나노 결정 (CNC)의 LBL의 다층 박막의 제조 및 특성을 이끌고있다. 비슷한 연구는 또한 셀룰로오스 해양 tunicin 및 양이온 성 고분자 전해질 (44), CNC와 크 실로 글루칸을 45에서 얻은 나노 결정 및 CNC 키토산 (46)와 진행되고있다. 양이온 성 고분자 전해질을 가진 펄프 섬유의 고압 균질화에 의해 얻어진 카복실 nanofibrillated 셀룰로오스 (NFCs), LBL의 다층 형성은 또한왔다47 ~ 49을 공부했다. 준비, 속성 및 CNC까지의 응용 프로그램과 nanofibrillated 셀룰로오스 자세히 50-53에서 검토되었다.
본 연구는 층상 구조를 갖는 생체 모방 리그 노 셀룰로오스 합성하기위한 첫 단계로 정렬 된 방식으로 (예 : nanocellulose과 리그닌 등) 격리 된 리그 노 셀룰로오스 고분자를 조립하는 잠재적 인 방법으로 LBL 기술의 시험을 포함한다. LBL 기술은 천연 복합체 형성을위한 조건 (54) 등이다 용매로서 주위 온도, 압력, 및 물 등의 양성 처리 조건으로 선정 하였다. 이 연구에서 우리는 항시 나무 구성 요소, 테트라 메틸 1 – 옥실 (TEMPO) 무료 서 층상 영화에 펄프와 격리 된 리그닌의 매개 산화로부터, 즉 셀룰로오스 미세 섬유의 다층 빌드 업에보고합니다. O에서 두 개의 서로 다른 리그닌이 다른 추출 기술에서 사용되는 하나의 기술 리그닌rganosolv 프로세스를 펄프 화하고, 다른 하나는 리그닌을 분리하는 동안 더 적은 변형으로 볼 – 밀링로부터 격리. 이들 화합물은 고유의 세포벽과 유사한 구조와 안정적인 독립형 영화 만들기의 가능성을 보여주기 위해이 초기 연구에서 합성 고분자 전해질과 결합됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanocellulose의 제작
nanocellulose 제조를 들어 펄프 섬유의 성공적인 산화 손쉬운 세동 필요하다. 산화는 천천히 셀룰로오스의 양에 기초하여 공지 된 양에 추가되어야 가능한 차아 염소산 나트륨에 의해 제어된다. 제한된 산화를위한 한 가지 이유는 장시간 동안 차아 염소산 나트륨 용액의 저장소에서 발생한다. 이 산화 환원 효율은 반응 중에 언급 될 수있다; 펄프 슬러리는 성공?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 지속 가능한 나노 기술 프로그램을 지원하기 위해 버지니아 공대, 버지니아 공대 대학원에서 중요한 기술 및 응용 과학 연구소 (ICTAS)의 박사 장학생의 프로그램에 의해 주로 지원 하였다 또한 미국 농무부, NIFA 인증 번호 2010-65504-20429. 저자는 또한이 일에 릭 Caudill, 스티븐 매카트니, 그리고 W. 트래비스 교회의 공헌을 감사합니다.
Materials
| sulfate pulp | Weyerhaeuser | donated | brightness level of 88% |
| organosolv lignin | Sigma Aldrich | 371017 | discontinued |
| hardwood milled wood lignin | see reference in paper | ||
| polydiallyldimethylammonium chloride | Sigma Aldrich | 409022 | Mn = 7.2×10^4, Mw=2.4×10^5 |
| 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) | Sigma Aldrich | 214000 | catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25g/mol |
| sodium bromide | Sigma Aldrich | S4547 | purity ≥99.0%, molecular weight 102.89 |
| sodium hypochlorite | Sigma Aldrich | 425044 | reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44g/mol |
| sodium hydroxide | VWR | BDH7221-4 | 0.5N aqueous solution, density 1.02g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| sodium hydroxide | Acros Organics | AC12419-0010 | 0.1N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| ammonium hydroxide | Acros Organics | AC39003-0025 | 25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol |
| hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H325-100 | 30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11 |
| Mica sheets | TED Pella | NC9655733 | Pelco, grade V5, 10×40mm, 23mm T, minimum air and bubbles, very clean |
| sulfuric acid | Fisher Scientific | A300-212 | 95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol |
| cellulose acetate | McMaster Carr | 8564K44 | degree of substitution 2.5 |
| ethanol | Decon Laboratories | 04-355-223 | 200 proof (100%), USP |
| acetone | Fisher Scientific | A18-4 | purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol |
| syringy pump | Harvard Apparatus | 552226 | pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 ul/h~55.1ml/min |
| Mill-Q water purification system | EMD Millipore | D3-UV | Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ cm with 20 liter reservair |
| pH meter | Mettler Toledo | SeverMulti | |
| balance | Mettler Toledo | AB135-S | accuracy 0.1mg |
| atomic force microscope | Asylum Research | MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage | |
| ellipsometer | Beaglehole Instruments | ||
| fiber centrifuge | unknown | basket style centrifuge | |
| Warring blender | Warring | Commercial | |
| ultrasonic processor | Sonics | Sonics 750W, sound enclosure | |
| Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) | Q-Sense Inc. | E4 | measure fundamental frequency of 5MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals |
| automatted dipper arm | Lynxmotion |
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