Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

مستقرة للغاية، وظيفية مشعر النانوية والبوليمرات الحيوية من ألياف الخشب: نحو تقنية النانو المستدام

Published: July 20, 2016 doi: 10.3791/54133
Automatic Translation
1,2,3, 1,2,3, 1,2,3, 1,2,3
1Department of Chemistry, McGill University, 2Center for Self-Assembled Chemical Structures (CSACS), McGill University, 3Pulp and Paper Research Center, McGill University

Abstract

النانوية، باعتبارها واحدة من المواد الرئيسية في تكنولوجيا النانو والنانو، اكتسبت أهمية كبيرة خلال السنوات العشر الماضية. في حين ترتبط النانوية القائمة على المعادن مع متاعب الاصطناعية والبيئية، السليلوز يدخل، بديل صديقة البيئة لتخليق جسيمات متناهية الصغر. هنا، نقدم إجراءات التوليف وفصل الكيميائية لإنتاج أصناف جديدة من الجسيمات النانوية شعر (تحمل المناطق على حد سواء غير متبلور والبلورية) والبوليمرات الحيوية القائمة على ألياف الخشب. عن طريق الأكسدة بريودات من لب الخشب اللين، يتم فتح حلقة الجلوكوز من السليلوز في السندات C2-C3 لتشكيل مجموعات 2،3 dialdehyde. مزيد من التدفئة من ألياف تتأكسد جزئيا (على سبيل المثال، T = 80 درجة مئوية) النتائج في ثلاثة منتجات، وهي ليفية السليلوز أكسدة، استقرت sterically nanocrystalline السليلوز (SNCC)، وحلت dialdehyde تعديل السليلوز (DAMC)، الذي يفصل جيدا بواسطة الطرد المركزي متقطع وبالإضافة إلى ذلك شارك في المذيبات.استخدمت الألياف تتأكسد جزئيا (بدون تدفئة) باعتبارها شديدة التفاعل وسيطة للتفاعل مع كلوريت لتحويل تقريبا كل ألدهيد إلى مجموعة الكربوكسيل. أدى هطول الأمطار المشارك المذيبات والطرد المركزي في السليلوز استقرت electrosterically nanocrystalline (الوطني المصري للتنافسية)، والسليلوز dicarboxylated (DCC). محتوى ألدهيد من SNCC وبالتالي تهمة سطح الوطني المصري للتنافسية (محتوى الكربوكسيل) وتسيطر على وجه التحديد عن طريق التحكم في وقت رد الفعل الأكسدة بريودات، مما أدى إلى النانوية مستقرة للغاية تحمل أكثر من 7 مليمول المجموعات الوظيفية في كل غرام من الجسيمات النانوية (على سبيل المثال، بالمقارنة مع NCC التقليدية تحمل << 1 مليمول وظيفية مجموعة / ز). المجهر القوة الذرية (AFM)، انتقال المجهر الإلكتروني (تيم)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) يشهد على التشكل مثل قضيب. المعايرة توصيلية، تحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، الرنين النووي المغناطيسي (NMR)، ديناميكية تشتت الضوء (DLS)، حركي كهربي-قالجنينية-السعة (ESA) والصوتية توهين الطيفي تسليط الضوء على خصائص متفوقة من هذه المواد النانوية.

Introduction

السليلوز، مثل البوليمر الحيوي الأكثر وفرة في العالم، وقد خدم مؤخرا كمادة خام رئيسية لانتاج جسيمات نانوية بلورية اسمه السليلوز nanocrystalline (NCC، المعروف أيضا باسم البلورات النانوية السليلوز CNC) 1. لفهم آلية تجميع NCC، وهيكل من ألياف السيليلوز يحتاج إلى من يكتشفها. السليلوز هو الخطية والبوليمر polydispersed تضم بولي بيتا (1،4) بقايا -D الجلوكوز 2. وترتبط الحلقات السكر في كل مونومر خلال الأكسجين غليكوزيدية لتشكيل سلاسل من (1-1.5) × 10 4 وحدات غلوكوبيرانوز 2،3، وإدخال بالتناوب أجزاء البلورية والمختلين والمناطق غير متبلور، لاول مرة من قبل Nageli وSchwendener 2،4. وفقا للمصدر، فإن أجزاء البلورية من السليلوز اعتماد مختلف الكريات البيضاء 5.

إذا تم علاج ألياف السليلوز مع حمض قوي، مثل حامض الكبريتيك، يمكن أن تكون مرحلة غير متبلور العوا تحلل تماماذ لتعطيل البوليمر وإنتاج الجزيئات البلورية من نسبة الارتفاع مختلفة اعتمادا على المصدر (على سبيل المثال، والخشب، وإنتاج محصول نانواعواد أكثر من 90٪ البلورية من العرض ~ 5-10 نانومتر، وطول ~ 100-300 نانومتر، بينما تونيسين، والبكتيريا، والطحالب تنتج 5-60 نانومتر واسعة و 100 نانومتر إلى عدة ميكرومتر البلدان المساهمة الصافية طويلة) 6. ويشار إلى القراء على الكم الهائل من المعلومات المتاحة بشأن الجوانب العلمية والهندسية من هذه المواد النانوية 2،5،7-16. وعلى الرغم من العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام في هذه الجسيمات النانوية، وكان استقرارهم الغروية دائما قضية على تركيزات عالية من الملح وارتفاع / انخفاض الرقم الهيدروجيني بسبب المتدني نسبيا محتوى الشحنة السطحية (أقل من 1 مليمول / ز) 17.

بدلا من التحلل حمض قوي، ألياف السيليلوز يمكن علاجها مع عامل مؤكسد (بريودات)، الشق C2-C3 الربط في anhydro بقايا D-غلوكوبيرانوز لتشكيل وحدات 2،3 dialdehyde مع عدم وجود ردود فعل جانبية كبيرة 18،19، وهذه الألياف تتأكسد جزئيا يمكن استخدامها كمادة وسيطة قيمة لإنتاج الجسيمات النانوية تحمل المناطق على حد سواء غير متبلور والبلورية (celluloses nanocrystalline شعر) باستخدام التفاعلات الكيميائية فقط دون أي القص الميكانيكية أو ultrasonication 20. عندما درجة الأكسدة الجزئية DS <2، التدفئة المؤكسد الألياف النتائج في ثلاث دفعات من المنتجات، وهي السليلوز ليفي، المياه التشتت dialdehyde nanowhiskers السليلوز يسمى استقرت sterically nanocrystalline السليلوز (SNCC)، وحلت dialdehyde تعديل السليلوز (DAMC)، والتي يمكن أن تكون معزولة بواسطة مراقبة دقيقة على إضافة المشارك المذيبات والطرد المركزي متقطع 21.

أداء تسيطر الأكسدة كلوريت على الألياف تتأكسد جزئيا بتحويل جميع المجموعات ألدهيد تقريبا إلى الكربوكسيل وحدة، والتي يمكن أن يعرض تصل إلى 7 مليمول مجموعة COOH في كل غرام من السليلوز nanocrystalline اعتمادا على محتوى ألدهيد 18 17. وقد استخدمت هذه المواد بمثابة مكثف ذات كفاءة عالية لمسح ايونات المعادن الثقيلة 22. تهمة هذه الجسيمات النانوية يمكن أن تسيطر على وجه التحديد عن طريق التحكم في وقت رد الفعل بريودات 23.

وعلى الرغم من تفاعلات الأكسدة المعروفة من السليلوز، لم يتم الإبلاغ عن إنتاج SNCC والوطني المصري للتنافسية من قبل أي مجموعات بحثية أخرى على الأرجح بسبب التحديات الانفصال. كنا قادرين على تجميع بنجاح وعزل أجزاء مختلفة من nanoproducts من خلال تصميم بالضبط رد فعل والانفصال الخطوات. توضح هذه المقالة البصرية مع التفاصيل كاملة كيفية تحضير بتكاثر وتميز nanowhiskers الرواية المذكورة آنفا تحمل كلاهما جزء غير متبلور والبلوريةالصورة من ألياف الخشب. قد يكون هذا البرنامج التعليمي رصيدا للباحثين نشط في مجالات مواد لينة والبيولوجية، والعلوم الطبية، وتكنولوجيا النانو وبصريات النانو والعلوم البيئية والهندسة والفيزياء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تنبيه: قراءة بيانات سلامة المواد (MSDS) من جميع المواد الكيميائية قبل لمسها. العديد من المواد الكيميائية المستخدمة في هذا العمل قد يسبب الأضرار الصحية الشديدة. باستخدام الحماية الشخصية مثل معطف المختبر، والقفازات، ونظارات واقية أمر لا بد منه. لا ننسى أن السلامة تأتي أولا. المياه المستخدمة في جميع أنحاء التوليف يقطر الماء.

1. إعداد ألياف تتأكسد جزئيا باعتبارها الوسيط

  1. المسيل للدموع 4 ز س 90 ورقة لب الخشب اللين إلى قطع صغيرة حوالي 2 × 2 سم 2.
  2. نقع الأوراق اللب ممزقة في الماء لمدة يوم واحد على الأقل.
  3. تتفكك اللب الرطب باستخدام منحل الميكانيكية لتحقيق تشتت موحدة تقريبا.
  4. لتجميع مرشح فراغ، وتأمين مرشح النايلون في قمع بوخنر ووضع قمع في قارورة مرشح. ثم، ربط قارورة مرشح لمضخة فراغ باستخدام أنابيب السليم. تشغيل المضخة ومن أجل حل لب تفككت في تسليةشرم لفصل اللب من السائل.
  5. قياس وزن اللب الرطب (م 1)، وحساب كمية المياه التي تمتصها اللب: م ث، 1 = م 1-4.
  6. إعداد محلول مؤكسد بريودات
    1. لSNCC تجميع / DAMC: على حدة، ويحل 2.64 ز بريودات الصوديوم (NaIO 4) وكلوريد 15.48 غرام الصوديوم (كلوريد الصوديوم) في 200- م ث، 1 مل من الماء.
    2. لالوطني المصري للتنافسية تركيب / DCC: على حدة، ويحل 5.33 ز بريودات الصوديوم (NaIO 4) و 15.6 كلوريد الصوديوم ز (كلوريد الصوديوم) في 266- م ث، 1 مل من الماء.
  7. إضافة اللب الرطب بشكل منفصل إلى الحلول التي يجري اعدادها في 1.6. تأكد من أن كمية المياه (التي تمتصها اللب بالإضافة إلى المياه المضافة) يساوي 200 مل لSNCC و 266 مل لالتوليفات الوطني المصري للتنافسية.
  8. تغطية الكأس تماما مع رقائق الألومنيوم لمنع التعطيل بريودات مع التحريك بسرعة ~ 105 دورة في الدقيقة في RT لالمبلغ المطلوب من رIME وفقا للجدول رقم 1 لتحقيق محتوى ألدهيد المفضلة. وكمثال على ذلك، للحصول على ~ 6.5 ملمول / ز ألدهيد، تتفاعل لمدة 96 ساعة.
  9. عند انقضاء فترة رد الفعل، وفتح رقائق الألومنيوم وإضافة 1 مل (في حالة تركيب SNCC / DAMC) أو 3 مل (في حالة الوطني المصري للتنافسية / DCC التوليف) جلايكول الإثيلين إلى الخليط ويقلب لمدة 10 دقيقة لمنع أكسدة رد فعل من جانب التبريد بريودات.
  10. جمع اللب أكسدة عن طريق الترشيح فراغ (وفقا ل1.4)، redisperse في الماء 500 مل، ويقلب لمدة 30 دقيقة. كرر هذه الخطوة 5 مرات على الأقل لتنظيف اللب من بريودات بدقة.
  11. بعد غسل الماء ال 5 على اللب أكسدة، فصل اللب من الحل عن طريق الترشيح فراغ وتخزينها في (4 درجة مئوية) مكان بارد.

2. تجميع SNCC وDAMC

  1. تقسيم اللب الرطب تتأكسد جزئيا (م 1)، وحصل في 1.11، من خلال أربعة: م 2 = م 1/4،وقياس وزن الماء يمتص: م ث، 2 = م 2-1.
  2. تفريق اللب في (100 - م ث، 2) ز المياه في قارورة أسفل جولة (إجمالي محتوى الماء = 100 غرام).
  3. ضع قارورة أسفل جولة في حمام الزيت وحرارة اللب تتأكسد جزئيا في 80 درجة مئوية لمدة 6 ساعات مع التحريك بلطف.
    ملاحظة: إذا يتأكسد بشكل كامل اللب مع بريودات (DS = 2)، على سبيل المثال، عن طريق تفاعل 1 ز اللب مع 1.85 ز NaIO 4 (8.65 ملمول) في حل تضم 3.87 جم كلوريد الصوديوم (8.64 ملمول) و 65 مل من الماء مع التحريك لمدة 6 أيام، اعتمادا على الوقت حالة التدفئة والإقامة في الماء، يتم تغيير الخاصية من السليلوز dialdehyde (DAC) (الجدول 2).
  4. تهدئة حل لRT.
  5. أجهزة الطرد المركزي الحل في 18500 x ج لمدة 10 دقيقة. يعجل هو السليلوز unfibrillated (جزء 1).
  6. فصل طاف بعناية وتزن (A).
  7. إضافة 1.7 (A) ز بروبانوللطاف الحصول عليها في 2.6 مع التحريك لترسيب SNCC. تفاصيل عن SNCC فصل وبروبانول المضافة هي المتاحة في الشكل 1.
  8. أجهزة الطرد المركزي في حل ثنائي الطور في 3000 x ج لمدة 10 دقيقة، وفصل أدى هلامية راسب (جزء الثاني، SNCC) عن طريق الترقيد، والتي هي على استعداد لredispersed ومدال لمزيد من التنقية (القسم 4) وتوصيف (القسم 5).
  9. لطاف الحصول عليها في 2.8، إضافة 3.5 (A) ز بروبانول أن تسفر عن راسب أبيض (جزء ثالث، DAMC).
  10. أجهزة الطرد المركزي في حل من 2.9 في 3000 x ج لمدة 10 دقيقة، وجمع DAMC راسب تشبه الهلام (بصب طاف في كوب منفصل) جاهزة للredispersed في الماء، وتنقيته بواسطة الغسيل الكلوي (التفاصيل المتاحة في القسم 4)، وتتميز (القسم 5).

3. توليف الوطني المصري للتنافسية وDCC

  1. إعداد محلول 0.5 M هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) عن طريق إذابة ~ 2 غرام هيدروكسيد الصوديوم في 100 ملالمياه والاحتفاظ بها جانبا. هذا وسوف تستخدم في الخطوة 3.7.
  2. تقسيم اللب أكسدة الرطب، وحصل في 1.11، من خلال أربعة: م 3 = م 1/4، وقياس وزن الماء يمتص: م ث، 3 = م 3-1.
  3. بشكل منفصل، إضافة 2،93 ز كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم) و1.41 كلوريد الصوديوم (NaClO 2) إلى (50 - م ث، 3) مل من الماء ويحرك المزيج حتى يذوب.
  4. تعليق م 3 جرام من اللب الرطب أكسدة (التي تحتوي على ~ 1 غرام جاف أكسدة اللب) في الحل التي تم الحصول عليها في 3.3. لاحظ أن تركيز اللب النهائي هو 1 غرام في 50 مل إجمالي المياه المتاحة (مجانا والماء يمتص).
  5. ضع متر الرقم الهيدروجيني في حل من 3.4.
  6. إضافة 1.41 ز بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2) إلى خليط من الخطوة 3.4 قطرة قطرة.
  7. تحريك تعليق 3.6 لمدة 24 ساعة في RT في 105 دورة في الدقيقة مع الحفاظ على درجة الحموضة ~ 5 بإضافة تدريجيا 0.5 M هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) التي أعدت في الخطوة 3.1.
    ملاحظة: الرقم الهيدروجيني يبدأ التناقص بسرعة بعد ~ 15 دقيقة من بداية رد فعل، ويجب أن تبقى أنه مستمر في 5 لساعة على الأقل 4 الأولى من رد الفعل. للراحة، ويقترح أن يتم تشغيل رد الفعل عند 13:00 ويتم التحكم في درجة الحموضة حتى 5:00، ثم يتم ترك ردود فعل O / N وفي الصباح يتم زيادة درجة الحموضة إلى 5 مرة أخرى في وقت مبكر. بعد هذا الوقت الطويل، وانخفاض درجة الحموضة لن يكون كبيرا، مشيرا إلى أن معظم تحويل يتحقق. الآن، أي ما يقرب من صلب يمكن ملاحظتها في الحل (يتم تقسيم الألياف كبيرة أسفل إلى النانوية). لاحظ أنه في حالة ترك رد فعل لفترة أطول، قد تتعطل الجزء البلورية.
  8. تقسيم تعليق تم الحصول عليها من 3.7 في أنابيب الطرد المركزي مرجح على قدم المساواة وأجهزة الطرد المركزي في 27000 x ج لمدة 10 دقيقة، وفصل طاف (الوطني المصري للتنافسية + DCC) من راسب الجزئي ليفية.
  9. تزن طاف الحصول عليها من 3.8، وندعو كتلة الحل (B).
  10. ببطء يضيف للمؤشر 0.16 (B) ز إيثانرأ في حل 3.9 مع التحريك لتشكيل راسب أبيض (جزء الثاني، الوطني المصري للتنافسية).
  11. أجهزة الطرد المركزي في حل من 3.10 في 3000 x ج لمدة 10 دقيقة، وفصل أدى هلامية الوطني المصري للتنافسية راسب عن طريق الترقيد. الوطني المصري للتنافسية هو على استعداد ليكون redispersed في الماء، وتنقيته بواسطة الغسيل الكلوي (التفاصيل المتاحة في القسم 4)، وتتميز (القسم 5).
  12. لطاف الحصول عليها في 3.11، إضافة كتلة مساوية من الإيثانول باسم كتلة الحل لانتاج راسب أبيض (جزء ثالث، DCC).
  13. أجهزة الطرد المركزي في حل من 3.12 في 3000 x ج لمدة 10 دقيقة، وفصل هلامية DCC يعجل جاهزة للredispersed في الماء، وتنقيته بواسطة الغسيل الكلوي (التفاصيل المتاحة في القسم 4)، وتتميز.

4. إجراء غسيل الكلى لتنقية SNCC، DAMC، الوطني المصري للتنافسية أو DCC

  1. Redisperse يعجل تشبه الهلام التي تم الحصول عليها في أي خطوات من 2.8 (SNCC)، 2.10 (DAMC)، 3.11 (الوطني المصري للتنافسية)، أو 3.13 (DCC) في 10 مل من الماء عن طريق التحريك قوية لمدة 1 ساعة.
  2. المركز الرابعالبريد تشتت في أنابيب غسيل الكلى (MW القطع = 12-14 كيلو دالتون، طول ~ 30 سم، عرض ~ 4.5 سم) وتأمين أعلى وأسفل من لقطة.
  3. ضع كيس غسيل الكلى شغل في ~ 4 لتر من الماء المقطر ويحرك المزيج لمدة 24 ساعة لإخراج الأملاح.
  4. جمع الحل مدال في وعاء وتخزينها في (4 درجة مئوية) مكان بارد.

5. بعد تنقية توصيف: المرحلة الصلبة وقياس تركيزات المسؤول

  1. قياس تركيز
    1. تزن 3 مل من تشتت المطلوب في طبق الترجيح (كوب الألومنيوم، 57 مم).
    2. وضع صحن وزنها تحتوي على التشتت في فرن (50 ° C) O / N.
    3. تزن فيلم الجافة وحساب تركيز الجسيمات النانوية أو البوليمرات في تشتت:
      تركيز (ث /٪ ضد) = 100 × كتلة فيلم / 3 الجاف، أو
      تركيز (ث / ث٪) = 100 × كتلة من فيلم الجافة / كتلة تشتت
  2. المعايرة توصيلية
  3. المعايرة توصيلية من SNCC أو DAMC لتحديد محتوى ألدهيد
    1. تحضير 0.1 M حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك) وذلك بإضافة 0.82 مل حمض الهيدروكلوريك إلى 25 مل من الماء تليها ضبط الحجم النهائي إلى 100 مل.
    2. بشكل منفصل، وإعداد هيدروكسيد الصوديوم 0.1 M بإضافة 0.4 غرام هيدروكسيد الصوديوم إلى الماء المقطر لتحقيق 100 مل الحل النهائي.
    3. وفقا للطريقة هيدروكلوريد هيدروكسيل 24، إضافة كمية معروفة من تشتت المطلوب إلى المبلغ المطلوب من الماء (على سبيل المثال، 0.02 غ في 50 مل H 2 O).
    4. ضبط درجة الحموضة إلى 3.5 باستخدام حمض الهيدروكلوريك المخفف (0.1 م).
    5. إضافة 10 مل من محلول هيدروكلوريد هيدروكسيل (5٪ ث / ث) إلى التشتت.
    6. مراقبة الأس الهيدروجيني والاحتفاظ بها في 3.5 بإضافة 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم حتى تصبح درجة الحموضة مستقرة عند 3.5.
    7. باستخدام حجم استهلاكها من هيدروكسيد الصوديوم لتحييد H + صدر من ردود فعل الجماعات ألدهيد وNH 2 OH · حمض الهيدروكلوريك، وقياس concentra ألدهيدنشوئها (مول من هيدروكسيد الصوديوم المستهلكة = مول من إنتاج حمض الهيدروكلوريك خلال رد فعل = الخلد مجموعات ألدهيد على SNCC).
  4. المعايرة توصيلية من الوطني المصري للتنافسية أو DCC لتحديد محتوى الكربوكسيل
    1. وعقب الأدب 25، إضافة كمية كافية من تشتت المرغوب فيه ان يكون 0.02 غرام من مادة صلبة في 140 مل من الماء المقطر.
    2. بشكل منفصل، وإعداد 20 ملي كلوريد الصوديوم عن طريق إذابة 0.117 غرام كلوريد الصوديوم في الماء المقطر لتحقيق 100 مل الحل النهائي. إضافة 2 مل من 20 ملي كلوريد الصوديوم إلى 5.2.2.1.
    3. خفض درجة الحموضة إلى حوالي 3 باستخدام تمييع حمض الهيدروكلوريك (0.1 م).
    4. أداء المعايرة توصيلية بإضافة هيدروكسيد الصوديوم القياسي (هيدروكسيد الصوديوم، و 10 ملم) بزيادات 0.1 مل / دقيقة تصل إلى درجة الحموضة ~ 11.
    5. باستخدام حجم استهلاكها من هيدروكسيد الصوديوم لتحييد الجماعات مشحونة (التفاصيل في الشكل 2)، وقياس تركيز الشحنة السطحية (1 مول من قاعدة المستهلكة يساوي واحد الخلد COOH على سطح الجسيمات).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

محتوى جزء الكتلة والشحنة الكهربائية من كل جزء خلال بريودات وكلوريت أكسدة اللب يعتمد على وقت رد الفعل (الجدول 1). وعلاوة على ذلك، DAC الوزن الجزيئي يعتمد على حالة التدفئة ووقت الإقامة (الجدول 2). مرة واحدة مصنوعة SNCC وDAMC، فإنها تترسب بإضافة بروبانول (الشكل 1). لقياس محتوى المكلف الوطني المصري للتنافسية، يتم إجراء المعايرة توصيلية (الشكل 2). يتأثر NCC والوطني المصري للتنافسية سلوك الغروية عن طريق القوة الأيونية ودرجة الحموضة. يتم عرض حجم وزيتا الإمكانات لجنة التنسيق الوطنية والوطني المصري للتنافسية مقابل بوكل تركيز الملح ودرجة الحموضة في الشكل (3). SNCC هو جسيم محايد ويتأثر حجم من قبل بروبانول المضافة (الشكل 3). انتقال المجهر الإلكتروني (تيم) والقوة الذرية المجهر (AFM) الصور من المجلس الاستشاري الوطني، الوطني المصري للتنافسية، وSNCC (الشكل 4) تشهد أن هذه الجسيمات تستفيد وROM هيئة بلورية مشابهة. تحمل محتوى مجموعة الكربوكسيل عالية، الوطني المصري للتنافسية قادرة على فصل على كمية عالية من أيونات النحاس من النظم المائية (الشكل 5). FTIR أطياف و 13 C NMR من الوطني المصري للتنافسية / DCC وSNCC تكشف عن خلافات التركيب الكيميائي مع NCC التقليدية وعجينة السليلوز (الشكل 6). وأخيرا، حيود الأشعة السينية (XRD) من كسور مختلفة من السليلوز المؤكسد (الشكل 7) تسليط الضوء على تبلور هذه المواد.

بريودات الوقت الأكسدة (ساعة) محتوى ألدهيد (مليمول / ز) جزء نسبة الكتلة (٪) محتوى تهمة (مليمول / ز)
10 1.5 1 90 1.2
2 3.5 3.6
3 7.5 3.95
16 2.5 1 82 2.15
2 5 4.25
3 12 4.6
24 3.5 1 69 2.9
2 10 4.8
3 21 5.25
96 6.5 1 9 4.05
2 52 6.6
3 40 6.95

الجدول 1. قداس جزء ورسوم مضمون كل جزء خلال بريودات وكلوريت أكسدة ص ULP 23.

درجة الحرارة (° C) الوقت التدفئة (ساعة) زمن البقاء في الماء عند RT (أيام) متوسط ​​الكتلة المولية (كيلو دالتون) درجة البلمرة
80 6 1 85.1 532
80 6 15 41.3 258
80 6 61 4.1 26
80 10 61 3.4 21
90 6 61 3.3 21
90 17 61 1.6 10
خيمة "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 "> الجدول 2. لجنة المساعدة الإنمائية الوزن الجزيئي الاعتماد على حالة التدفئة والإقامة الساعة 21.

شكل 1
الشكل 1. معجل SNCC وDAMC مقابل بروبانول أضاف 21. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. توصيلية الرسم البياني المعايرة لالوطني المصري للتنافسية. تركيز COOH = 0.01195 (V هيدروكسيد الصوديوم) * 10 ملم (تركيز هيدروكسيد الصوديوم) / ز 0.02 (الأولي الوطني المصري للتنافسية) ~ 5.98 مليمول / ز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. (أ) السلوك NCC والوطني المصري للتنافسية في عالية القوة الأيونية 17. (ب) حجم تطور SNCC مقابل بروبانول أضاف 21. (C - F) NCC (الدوائر) الوطني المصري للتنافسية (المربعات) حجم وإمكانات زيتا مقابل بوكل تركيز الملح والحموضة تم الحصول عليها من حركي كهربي-الصوت-السعة (ESA)، وتوهين الصوتية الطيفي 17. لاحظ أن النجوم في لوحة (C) تمثل ديناميكية تشتت الضوء (DLS) حجم. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. نقل المجهر الإلكتروني ( تيم) والقوة الذرية المجهر (AFM) صور (A) NCC 21، الوطني المصري للتنافسية في (B) 0 جزء في المليون، (C) 100 جزء في المليون، و (D) 300 جزء في المليون تركيز النحاس 22، و (E & F) SNCC 21. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. النحاس قدرة إزالة ف الوطني المصري للتنافسية 'ه مقابل التوازن النحاس تركيز C ه 22. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

3 / 54133fig6.jpg "/>
الشكل 6. (أ) FTIR أطياف من عجينة السليلوز (أ، مع محتوى تهمة 0.06 مليمول / ز)، وهو أول جزء (ب)، جزء الثاني (ج، أي الوطني المصري للتنافسية)، وجزء ثالث (د، أي DCC مع المسؤول المحتوى 3.5 مليمول / ز) 23. (ب) السوائل المرحلة 13 C NMR من DCC (محتوى تهمة 3.5 مليمول / ز) 23. (C) FTIR أطياف من عجينة السليلوز، المجلس الاستشاري الوطني، وSNCC 21. (D) الحالة الصلبة 13 C NMR من عجينة السليلوز، المجلس الاستشاري الوطني، وSNCC 21. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. حيود الأشعة السينية (XRD) من كسور مختلفة من السليلوز أكسدة. (A) السليلوز الأولي، ( (ج) جزء الثاني من السليلوز أكسدة، و (D) جزء ثالث من السليلوز المؤكسد (محتوى تهمة = 3.5 مليمول / ز) 23. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في أعقاب الكيمياء مناقشتها في هذه الورقة البصرية، ويتم إنتاج مجموعة متنوعة من الجسيمات النانوية القائمة على السليلوز درجة عالية من الاستقرار مع المسؤول الانضباطي تحمل مراحل كلا البلورية وغير متبلور (celluloses nanocrystalline شعر). اعتمادا على الوقت الأكسدة بريودات، كما هو مبين في الجدول رقم 1، وأسفرت عن مختلف المنتجات: ألياف المؤكسد (جزء 1)، SNCC (جزء 2)، وDAMC (جزء 3) كل منها توفير خصائص فريدة من نوعها، مثل حجم محددة، مورفولوجيا ، التبلور، ومحتوى ألدهيد. مزيد من أكسدة هذه المواد الوسيطة من خلال النتائج كلوريت في مختلف الأنواع سالبة الشحنة، وهي جزء 1 (ألياف لب carboxylated)، جزء 2 (الوطني المصري للتنافسية)، وجزء 3 (DCC) كما ذكر في الجدول 1. إذا كان بريودات اللب تماما-المؤكسد ( ينضج DS = 2)، وهذا يتوقف على حالة التدفئة (درجة الحرارة وحضانة الوقت)، سلسلة من السليلوز dialdehyde (DAC) مع مختلف الأوزان الجزيئية ودرجاتيمكن أن تنتج البلمرة. ويبين الجدول 2 الوزن الجزيئي من لجنة المساعدة الإنمائية مقابل حالة التدفئة. توفر التدفئة بطريقة سطحية تحويل اللب أكسدة بريودات جزئيا إلى ألدهيد، functionalized النانوية محايد (SNCC) والبوليمرات (DAMC)، والتي يمكن استخدامها كمواد وسيطة نشطة للغاية. يتم عزل SNCC وDAMC بعناية من خلال إضافة المشارك المذيبات مثل بروبانول. في الشكل 1، فصل SNCC وDAMC مقابل يرد بروبانول المضافة.

مرة واحدة الوطني المصري للتنافسية أو يتم DCC، المعايرة توصيلية بسيطة يستخدم لقياس الشحنة السطحية (الكربوكسيل) المحتوى كما هو موضح في الشكل (2). مبلغ مساو من هيدروكسيد الصوديوم لتحييد الشحنة السطحية تعطي كثافة الشحنة (على سبيل المثال، ~ 6 مليمول / ز في الشكل 2). كثافة الشحنة عال من الوطني المصري للتنافسية تستقر لهم كهربية، الذي جنبا إلى جنب مع حجم المستبعدة من جاحظ السليلوز dicarboxylated (DCC) السلاسل وتوفيراستقرار electrosterically. في الشكل 3A، فإنه يظهر أن في القوة الأيونية ~ 50 ملم، NCC يشكل مادة هلامية، في حين لا يزال الوطني المصري للتنافسية كما تشتت مستقر حتى لا يقل عن 500 ملي بوكل. ويؤكد هذا السلوك من خلال دراسة حجم NCC والوطني المصري للتنافسية باستخدام الصوتية الطيفي توهين: زيادة حجم NCC من ~ 50 نانومتر إلى ~ 150 نانومتر عن طريق زيادة القوة الأيونية 0-50 ملم، في حين ينخفض ​​حجم الوطني المصري للتنافسية من ~ 220 نانومتر إلى ~ 80 نانومتر عن طريق زيادة تركيز بوكل 0-200 ملم نظرا لتراجع من جاحظ سلاسل DCC (الشكل 3C). ومستقرة زيتا-إمكانات الوطني المصري للتنافسية في ~ -100 بالسيارات بالمقارنة مع اتجاه تناقص NCC زيتا المحتملة من ~ -75 بالسيارات إلى ~ -40 بالسيارات يشهد على ذلك، تهمة عالية مستقرة على الوطني المصري للتنافسية (الشكل 3D). وعلاوة على ذلك، وأعمال سطح الوطني المصري للتنافسية كما حمض ضعيف بالمقارنة مع المجموعات حمض سطح قوية على NCC (أرقام 3E & F)، مما أدى تعتمد على درجة الحموضة (الرقم الهيدروجيني المستقلة)-زيتا المحتملة (وحجم) عن الوطني المصري للتنافسية (NCC) في 3 و# 60؛ درجة الحموضة <12. ومن المثير للاهتمام، ويتأثر حجم SNCC من تركيز المشارك المذيبات كما هو مبين في الشكل 3B.

تيم والصور AFM (الشكل 4) من المجلس الاستشاري الوطني، الوطني المصري للتنافسية، وSNCC تشهد على جزء بلوري مماثل. أيضا، في وجود أيون ثنائي التكافؤ المعادن الثقيلة مثل النحاس، تشكيل ENCCs المجاميع درجة عالية من الاستقرار النجوم مثل في انخفاض النحاس (II) تركيز (على سبيل المثال، 100 جزء في المليون، الشكل 4C)، في حين بتركيزات عالية من النحاس (على سبيل المثال، 300 جزء في المليون، الشكل 4D)، يتم تشكيلها، وحدات غير مستقرة كبيرة مثل طوف. ويعزى ذلك إلى تحييد تهمة الجزئي والكامل الوطني المصري للتنافسية في تركيزات منخفضة وارتفاع النحاس، على التوالي 22. هذا الميل إلى كثف ايونات المعادن الثقيلة شجعنا على استخدام الوطني المصري للتنافسية لفصل أيونات النحاس من النظم المائية. الشكل 5 يعرض قدرة إزالة النحاس مقابل توازن تركيز النحاس 22. وفقا لذلك، 1 غرام الوطني المصري للتنافسيةغير قادرة على إزالة ~ 180 ملغ النحاس (II)، وهو ما يعادل محتوى الشحنة السطحية الوطني المصري للتنافسية. مثل عالية الثقيلة أيونات المعادن الأماكن قدرة إزالة هذه المواد متناهية الصغر بين الماصة ذات كفاءة عالية (22).

مقارنة أطياف FTIR من كسور مختلفة من أكسدة اللب (الشكل 6A) تشير إلى أن زيادة عدد جزء، وكثافة الذروة في 1605 سم -1 المقابلة لزيادة COONa بالمقارنة إلى الذروة في 1015 سم -1 (CH 2 -O -CH 2) 23. هذا يدل على زيادة تدريجية في محتوى الكربوكسيل من الكسور 23. ومن المثير للاهتمام، في الشكل 6C، قمم المميزة لSNCC في 1730 و 880 سم -1، بالمقارنة مع عجينة السليلوز والمجلس الاستشاري الوطني، تعكس تمتد من مجموعة الكربونيل والربط هيمي آسيتال على التوالي 21. الطور السائل 13 C NMR من DCC (الشكل 6B) تظهر قمم في 59 صفحة في الدقيقة (C6)، وقمم متعددة في 75-80 جزء في المليون (C4 و C5)، و 102 جزء في المليون (C1)، و 175 جزء في المليون (مجموعات الكربوكسيل على C2 و C3) 23. ويعرض الشكل 6D الحالة الصلبة 13 C NMR، مما يدل على كتف C4 " ذروة المقابلة لمرحلة غير متبلور من السليلوز. نسبة هذه الذروة إلى الذروة C4 حادة (الموافق البلورية السيلولوز) في 90 جزء في المليون هو أعلى لجنة التنسيق الوطنية مشيرا إلى التبلور أعلى من السليلوز اللب 21. القمم واسعة في 60-80 جزء في المليون و85-105 جزء في المليون وعدم وجود قمم الكربونيل في 175-180 جزء في المليون تقترح الربط هيمي آسيتال مجموعات ألدهيد في SNCC 21. حيود الأشعة السينية (الشكل 7) من السليلوز ومختلف أجزاء المؤكسد (1 و 2 و 3) ينتج ~ 79٪، 61٪، 91٪، و 23٪ مؤشرات التبلور، على التوالي 23.

في هذه المقالة، وقد تجلى ذلك كيفية إعداد أصناف جديدة من البوليمرات الحيوية محايدة أو مشحونة والجسيمات النانوية شعر من ألياف الخشب. هذه الرواية زالمواد reen لها استثنائية الغروية وسطح خصائص بالمقارنة مع السليلوز nanocrystalline التقليدي (NCC). أنها يمكن أن يتيسر في طائفة واسعة من التطبيقات مثل المعالجة البيئية، النانوي، nanocomposites وعلوم المواد، والمتناهية الصغر وأنظمة nanoelectromechanical (MEMS / NEMS). هذا البحث والاكتشاف يفتح أفقا جديدا في تكنولوجيا النانو القائم على السليلوز.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 -

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Habibi, Y., Lucia, L. A., Rojas, O. J. Cellulose nanocrystals: Chemistry , self-Assembly , and applications. Chem. Rev. 110 (6), 3479-3500 (2010).
  2. 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).
  3. Sjöström, E. Wood chemistry: Fundamentals and applications. , Academic Press. New York. (1993).
  4. Nageli, C., Schwendener, S. Das Mikroskop, Theorie und Anwendung desselben. 2. Verbesserte auflage. , Leipsig: Engelmann. Leipzig. (1877).
  5. 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).
  6. Klemm, D., Kramer, F., et al. Nanocelluloses: A new family of nature-based materials. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (24), 5438-5466 (2011).
  7. Wang, N., Ding, E., Cheng, R. Surface modification of cellulose nanocrystals. Front. Chem. Eng. China. 1 (3), 228-232 (2007).
  8. Siqueira, G., Bras, J., Dufresne, A. Cellulosic bionanocomposites: A review of preparation, properties and applications. Polymers. 2 (4), 728-765 (2010).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Lu, P., Hsieh, Y. Lo Preparation and properties of cellulose nanocrystals: Rods, spheres, and network. Carbohydr. Polym. 82 (2), 329-336 (2010).
  12. Liu, D., Chen, X., Yue, Y., Chen, M., Wu, Q. Structure and rheology of nanocrystalline cellulose. Carbohydr. Polym. 84 (1), 316-322 (2011).
  13. 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).
  14. Kalia, S., Dufresne, A., et al. Cellulose-based bio- and nanocomposites: A review. Int. J. Polym. Sci. 2011, 1-35 (2011).
  15. Bai, W., Holbery, J., Li, K. A technique for production of nanocrystalline cellulose with a narrow size distribution. Cellulose. 16 (3), 455-465 (2009).
  16. Eichhorn, S. J., Dufresne, A., et al. Review: Current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. J. Mater. Sci. 45 (1), 1-33 (2010).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Guthrie, R. D. The "dialdehydes" from the periodate oxidation of carbohydrates. Adv Carbohydr Chem. 16, 105-158 (1961).
  20. 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. van de Ven, T. G. M., Tejado, A., Alam, M. N., Antal, M. , 3776923-v3, WO 2012119229 A1 (2011).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Kim, U. J., Kuga, S., Wada, M., Okano, T., Kondo, T. Periodate oxidation of crystalline cellulose. Biomacromolecules. 1 (3), 488-492 (2000).
  25. Araki, J., Wada, M., Kuga, S. Steric stabilization of a cellulose microcrystal suspension by poly (ethylene glycol) grafting. Cellulose. 17 (1), 21-27 (2001).

Tags

الكيمياء، العدد 113، nanocellulose مشعر، ألياف الخشب، استقرت electrosterically nanocrystalline السليلوز (الوطني المصري للتنافسية)، استقرت sterically nanocrystalline السليلوز (SNCC)، dicarboxylated السليلوز (DCC)، والمواد المستدامة، الغرويات مستقرة
مستقرة للغاية، وظيفية مشعر النانوية والبوليمرات الحيوية من ألياف الخشب: نحو تقنية النانو المستدام
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sheikhi, A., Yang, H., Alam, M. N.,… More

Sheikhi, A., Yang, H., Alam, M. N., van de Ven, T. G. M. Highly Stable, Functional Hairy Nanoparticles and Biopolymers from Wood Fibers: Towards Sustainable Nanotechnology. J. Vis. Exp. (113), e54133, doi:10.3791/54133 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter