Groen en Low-cost productie van thermisch stabiel en gecarboxyleerde cellulose Nanokristallen en nanofibrillen Met behulp van zeer goed recyclebaar dicarbonzuren

Duurzame economische ontwikkeling vereist niet alleen het gebruik van grondstoffen die hernieuwbare en biologisch afbreekbaar zijn, maar maakt ook gebruik van groene en milieuvriendelijke technologieën voor het vervaardigen van een verscheidenheid aan bioproducten en biochemicaliën uit deze hernieuwbare grondstoffen te produceren. Cellulose nanomaterialen, zoals cellulose nanokristallen (CNC) en cellulose nanofibrillen (CNF), geproduceerd uit hernieuwbare lignocelluloses zijn biologisch afbreekbaar en hebben een unieke mechanische en optische eigenschappen die geschikt zijn voor het ontwikkelen van een scala aan bioproducten ^{1, 2.} Helaas, bestaande technologieën voor de productie van cellulose nanomaterialen zijn of energie-intensief bij het gebruik van puur mechanische fibrillatie of ecologisch onhoudbaar als gevolg van niet-recycling of onvoldoende recycling van de verwerking van chemicaliën, zoals bij het gebruik van het geconcentreerde mineraal zuur hydrolyse proces ^3-8 of oxidatie methoden ^{9- 11.} Bovendien kan oxidatie methoden ook de productie van milieuvriendelijke giftige compounds door te reageren met lignocelluloses. Daarom is de ontwikkeling van groene productie technologieën voor de productie van cellulose nanomaterialen is van cruciaal belang om volledig gebruik te maken van de overvloedige en hernieuwbaar materiaal maken – lignocelluloses.

Met behulp van zure hydrolyse om hemicellulose te lossen en depolymeriseren cellulose is een effectieve aanpak voor de productie van cellulose nanomaterialen. Vaste zuren zijn gebruikt voor de productie van suiker uit cellulose met het voordeel versnellingstype zuur terugwinning ^{12, 13.} Eerdere studies met geconcentreerd mineraalzuur aan dat een lagere zuurconcentratie CNC verbeterde opbrengst en kristalliniteit ^{3, 5.} Dit suggereert dat een sterk zuur cellulose kristallen beschadigen terwijl een mildere zure hydrolyse de eigenschappen en opbrengst van cellulose nanomaterialen kunnen verbeteren door de benadering van geïntegreerde productie en CNC met CNF ^{3, 14.} Hier leggen we een methode met behulp van geconcentreerde vaste dicarbonzuren hydrolyse tot produce CNC samen met CNF ^15. Deze dicarbonzuren hebben een lage oplosbaarheid bij lage of omgevingstemperaturen, en kunnen daarom gemakkelijk worden teruggewonnen door de volwassen kristallisatietechnologie. Ze hebben ook goede oplosbaarheid bij verhoogde temperaturen die geconcentreerd zuurhydrolyse vergemakkelijkt zonder verwarmen of gebruik drukvaten. Omdat deze zuren hebben ook een hogere pKa dan typische minerale zuren voor CNC productie, het gebruik ervan leidt tot goede CNC kristalliniteit, ondanks lagere CNC opbrengst, met een aanzienlijke hoeveelheid van cellulosehoudende vaste residu (FCSR of gedeeltelijk gehydrolyseerde vezels) nog door onvolledige cellulose depolymerisatie. De FCSR kan worden gebruikt om CNF produceren door middel van daaropvolgende mechanische fibrillatie gebruik van lage energie-input. Daarom cellulose verlies aan suikers is minimaal vergeleken met die minerale zuren.

Het is bekend dat carbonzuren cellulose kan veresteren met Fisher-Speier verestering ¹⁶. Het toepassen van dicarbonzuren cellulose kan resulteren in een semi-zuur un-verknoopte esters ¹⁷ (of carboxylering), om gecarboxyleerde CNC en CNF produceren als we eerder aangetoond ^15. De methode die hier beschreven kan produceren gecarboxyleerde en thermisch stabiel CNF en CNC dat is ook zeer kristallijn van ofwel gebleekt of ongebleekt pulp terwijl relatief eenvoudig en hoge chemische terugwinning en het gebruik van lage energie-input.