Son derece kararlı, Fonksiyonel Tüylü Nanoparçacıklar ve Ahşap Elyaf Biyopolimerler: Sürdürülebilir Nanoteknoloji Doğru
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
Nanopartiküller, nanoteknoloji ve nanotıpta kilit malzemelerden biri olarak, son on yılda büyük önem kazanmıştır. metal bazlı nanopartiküller sentetik ve çevre sorunlarını ile ilişkili iken, selüloz nanoparçacık sentezi için yeşil, sürdürülebilir bir alternatif sunuyor. Burada ağaç lifleri göre kıllı (amorf ve kristalli hem taşıyan bölgeler) nanopartiküller ve biyopolimerlerin yeni sınıflar oluşturmak için kimyasal sentez ve ayırma işlemleri sunmaktadır. Yumuşak odun hamuru periodat oksidasyon sayesinde, selülozun glukoz halkası 2,3-dialdehid grupları oluşturmak için C2-C3 bağ açılır. Kısmen oksitlenmiş elyafların daha fazla ısıtma (örneğin, T = 80 ° C) de kesikli santrifüj ile ayrılmış üç ürünleri, yani elyaflı oksitlenmiş selüloz, steril olarak stabilize edilmiş nano-kristal selüloz (SNCC) ve çözündürüldü dialdehid modifiye selüloz (Damc) ile sonuçlanır ve birlikte-çözücü eklenmesi.kısmen oksitlenmiş elyaf (ısıtılmadan) karboksil gruplarına hemen hemen tüm aldehid dönüştürmek için klorit ile reaksiyona ara ürün son derece reaktif olarak kullanılmıştır. Eş-çözücü çöktürme ve santrifüj electrosterically stabilize nanokristal selüloz (ENCC) ve dikarboksillenmiş selüloz (DCC) ile sonuçlanmıştır. Geleneksel NCC kıyasla SNCC ve ENCC (karboksil içeriği) tam olarak, örneğin nano partiküller (gramı başına en fazla 7 mmol fonksiyonel gruplarını taşıyan son derece kararlı nanopartiküller sonuçlanan periodat oksidasyon reaksiyonu süresi kontrol edilmesi suretiyle kontrol edildi dolayısıyla yüzey yükünün aldehit muhteviyatım yatağı << 1 mmol fonksiyonel grup / g). Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) çubuk benzeri morfoloji tanıklık. Kondüktometrik ufalamanın Fourier kızılötesi spektroskopi (FTIR), nükleer manyetik rezonans (NMR), dinamik ışık saçılımı (DLS), elektrokinetik-S dönüşümüBu Nanomalzemelerin üstün özelliklerine onic-genlik (ESA) ve akustik zayıflama spektroskopisi döken ışık.
Introduction
Selüloz, dünyanın en bol biyopolimerleri olarak, 1 (aynı zamanda selüloz nanokristallerinin CNC olarak bilinen KKK) nanokristal selüloz adlı kristal nanopartiküller elde etmek için önemli bir hammadde olarak son zamanlarda görev olmuştur. KKK sentez mekanizmasını anlamak için, selüloz liflerinin yapısı araştırılması gerekmektedir. Selüloz, bir doğrusal ve poli-beta (1,4) -D-glükoz artıkları 2 içeren polydispersed polimerdir. Her monomer şeker halkaları (1-1.5) zincirleri oluşturmak için glikozidik oksijen ile bağlı ilk Nägeli ve Schwendener 2,4 rapor kristal parçaları ve düzensiz, amorf bölgeleri, alternatif tanıtan 10 4 glukopiranoz birimlerinin 2,3 x edilir. Kaynağına bağlı olarak, selüloz kristalin parçaları çeşitli polimorflann 5 alabilir.
Bir selüloz elyaf kuvvetli bir asit ile muamele edilirse, örneğin sülfürik asit gibi amorf faz, bütünüyle hidrolize awa olabilirY polimer bozabilir ve kaynağına bağlı olarak değişik boy oranı kristalin partiküllerinin (üretilmesi için, örneğin, genişlik ahşap ve pamuk verimi% 90 daha fazla kristalin nanorods ~ 5-10 nm ve uzunluğu ~ 100-300 nm, tunicin ise, bakteri, ve yosun) birçok mikrometre uzunluğunda UKM için 5-60 nm çapında ve 100 nm üretim 6. Okuyucular bu Nanomalzemelerin 2,5,7-16 bilimsel ve mühendislik yönleri üzerinde mevcut literatürün büyük miktarda adlandırılır. Bu nanopartiküller çok sayıda ilginç özelliklerine rağmen, onların kolloidal kararlılık nedeniyle her zaman nispeten düşük yüzey yükü içeriği (en az 1 mg / g) 17 yüksek tuz konsantrasyonlarında ve yüksek / düşük pH değerlerinde bir konu olmuştur.
Bunun yerine güçlü asit hidroliz, selüloz lifleri önemli bir yan reaksiyonların 18,1 2,3-dialdehid birimlerin oluşturulması için, anhidro, D-glukopiranoz artıkları C2-C3 bağının yarılmasına, bir oksitleyici madde (periodat) ile muamele edilebilir9. Bu kısmen oksitlenmiş elyafların mekanik kesme ya da ultrasonikasyon 20 olmaksızın yalnızca kimyasal reaksiyonlar kullanılarak hem amorf ve kristal bölgeleri (tüylü nanokristal selülozlar) taşıyan nanopartiküller üretmek için değerli ara madde olarak kullanılabilir. Kısmi oksidasyon derecesi DS <2, ısıtma sterik açıdan stabilize nanokristal selüloz (SNCC) olarak adlandırılan ürünler, yani elyaflı selüloz, suda dağılabilen dialdehid selüloz Nanowhiskers o üç seri lifler sonuçlar oksitlenmiş ve izole edilebilir dialdehid modifiye selüloz (Damc) çözündürüldü zaman ko-solvent ilave üzerinde hassas kontrol ve aralıklı santrifüj 21 ile.
Kısmen oksitlenmiş elyafların kontrollü klorit oksidasyonu gerçekleştirme aldehit içeriği 18 bağlı nanokristal selüloz gramı başına yüksek mmol 7 olarak COOH grupları tanıtabilirsiniz birimleri, karboksil hemen hemen tüm aldehit grupları dönüştürür </sup> dengeleyiciler olarak hareket. Bu nanopartiküller electrosterically stabilize nanokristal selüloz (ENCC) olarak adlandırılır. Ayrıca, ücret kıl gibi çıkıntılı zincirlerinin yumuşak tabakalar ENCC 17 mevcut olduğu teyit edilmiştir. Bu malzeme, ağır metal iyonlarını 22 temizlemek için yüksek verimli adsorban olarak kullanılmıştır. Bu nanopartiküller şarj hassas periodat reaksiyon süresi 23 kontrol edilmesi suretiyle kontrol edilebilir.
selüloz, bilinen oksidasyon reaksiyonları rağmen SNCC ve ENCC üretimi başka araştırma grubu tarafından muhtemelen ile ayırma zorluklara hiç bildirilmemiştir. Biz başarıyla sentezlemek ve hassas reaksiyon ve ayırma adımlarını tasarlayarak nanoproducts çeşitli fraksiyonları izole etmek mümkün olmuştur. Bu görsel makale tekrarlanabilir amorf ve kristalin bir parçası hem de taşıyan yukarıda belirtilen yeni Nanowhiskers o hazırlamak ve karakterize etmek nasıl tam detay gösteriyorağaç liflerinden s. Bu eğitimde yumuşak malzeme, biyolojik ve tıbbi bilimler, nanoteknoloji ve nanofotonik, çevre bilimi ve mühendisliği ve fizik alanlarında aktif araştırmacılar için bir varlık olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu görsel yazıda tartışılan kimya ardından, kristal ve amorf hem aşamaları (tüylü nanokristal selüloz) taşıyan akort ücret ile son derece kararlı selüloz bazlı nanopartiküller bir spektrum üretilir. Tablo 1 'de gösterildiği gibi, periodat oksitleme süresine bağlı olarak, çeşitli ürün elde edilmiştir: okside elyaflar (fraksiyon 1), SNCC (fraksiyon 2) ve Damc (fraksiyon 3), bu tür her bir tanımlı bir boyut gibi benzersiz özellikler sağlayan, morfoloji kristalleşme ve…
Offenlegungen
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 | – |
Referenzen
- 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).
