Hacia Biomimicking Madera: Fabricada en monobloque películas de nanocellulose, lignina, y una Policatión sintético

Resumen

El objetivo de esta investigación fue formar tejido de la pared celular vegetal sintético usando asamblea capa por capa de fibrillas nanocellulose y aislada lignina montado a partir de suspensiones acuosas diluidas. Se han usado técnicas de medición de la superficie de la microbalanza de cristal de cuarzo y microscopía de fuerza atómica para monitorizar la formación del material nanocompuesto de polímero-polímero.

Resumen

Materiales de madera se componen de paredes celulares de las plantas que contienen una pared celular secundaria en capas compuesto por polímeros estructurales de los polisacáridos y la lignina. Se utilizó proceso de ensamblaje capa por capa (LBL) que se basa en el ensamblaje de moléculas de carga opuesta a partir de soluciones acuosas para construir una película de material compuesto autoportante de polímeros de madera aislados de la lignina y la celulosa oxidada nanofibrillas (NFC). Para facilitar el montaje de estos polímeros cargados negativamente, un polielectrolito cargado positivamente, poli (cloruro de diallyldimethylammomium) (PDDA), fue utilizado como una capa de enlace para crear esta pared celular modelo simplificado. El proceso de adsorción en capas se estudió cuantitativamente usando microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) y elipsometría. Los resultados mostraron que la masa capa / espesor por capa adsorbida aumenta como una función del número total de capas. La cobertura de la superficie de las capas adsorbidas se estudió con microscopía de fuerza atómica (AFM).La cobertura completa de la superficie con la lignina en todos los ciclos de deposición se encontró para el sistema, sin embargo, la cobertura de la superficie por la NFC aumentó con el número de capas. El proceso de adsorción se llevó a cabo durante 250 ciclos (500 bicapas) en un acetato de celulosa (CA) sustrato. Se obtuvieron LBL montado películas de nanocompuestos exentas transparentes cuando el sustrato CA se disolvió luego en acetona. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de las secciones transversales fracturados mostró una estructura laminar, y el espesor por ciclo de adsorción (PDDA-lignina-PDDA-NC) se estimó en 17 nm para dos tipos diferentes de lignina utilizados en el estudio. Los datos indican una película con arquitectura altamente controlado donde nanocellulose y lignina se depositan espacialmente en la escala nanométrica (un nanocompuestos de polímero-polímero), similar a lo que se observa en la pared celular nativa.

Introducción

Hay un gran interés para obtener productos químicos y combustibles adicionales a partir de biomasa, como el carbono secuestrado por las plantas durante la fotosíntesis es parte del ciclo actual de CO _2. La mayoría de carbono secuestrado (42-44%) es en la forma de celulosa, un polímero compuesto de unidades de glucopiranosa β 1-4-vinculados; cuando se hidroliza, la glucosa se puede utilizar como reactivo primario para la fermentación en combustibles a base de alcohol. Sin embargo, la arquitectura de la pared celular de las plantas leñosas ha evolucionado durante miles de años, creando un material que es resistente a la degradación en el medio ambiente natur....

Protocolo

1. Nanofibrillated Celulosa Preparación ⁵⁵

1. Configuración de un 3 L matraz de tres cuellos con 2 L de agua desionizada, un agitador superior, y sonda de pH.
2. Añadir la pulpa deslignificada Kraft, 88% de brillo (20 g, 1% (w / v, base de peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmoles / g de celulosa) , y bromuro de sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g de celulosa) en el matraz.
   1. Mezclar la fibra de la pasta con el agitador de cabeza hasta que la fibra se dispersa y no hay agregados se puede ver en la reacción.
      Nota: La dispersión puede ser ayudado mediante la mezcla de la suspensión en agua antes de....

Resultados

QCM-D Análisis de Structured Fabrication Woody Película de polímero

La adsorción LbL de la lignina, NFC y PDDA se monitorizó en tiempo real con QCM-D en dos experimentos diferentes que implican dos tipos de ligninas. Este método de análisis es muy sensible para detectar cambios en la frecuencia cuando las moléculas se adsorben a la superficie del cristal de cuarzo La Figura 1 contiene una descripción detallada de la respuesta QCM-D en un ciclo de deposición, que implica dos bic.......

Discusión

Fabricación de nanocellulose

Para la fabricación nanocellulose es necesaria la oxidación con éxito de la fibra de la pasta para la fibrilación fácil. La oxidación es controlada por hipoclorito de sodio disponible, que debe añadirse lentamente en cantidades conocidas sobre la base de la cantidad de celulosa. Una de las razones para la oxidación limitada surge desde el almacenamiento de la solución de hipoclorito de sodio durante períodos prolongados. Esta eficiencia de oxidación reducción, puede.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Pulpa de sulfato	Weyerhaeuser	donó	un nivel de brillo del 88%
Organosolv lignina	Sigma Aldrich	371017	descatalogado
Madera dura lignina de madera molida	ver referencia en papel
Cloruro de polidialildimetilaminamio	Sigma Aldrich	409022	Mn = 7,2 x 104, Mw = 2,4 x 105
2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO)	Sigma Aldrich	214000	oxidación catalítica de alcoholes primarios a aldehídos con una pureza del 98%, el peso molecular es de 156,25 g/mol
Bromuro de sodio	Sigma Aldrich	S4547	pureza &; 99,0%, peso molecular 102,89
Hipoclorito de sodio	Sigma Aldrich		425044 grado reactivo, cloro disponible 10~15%, peso molecular 74,44 g/mol
Hidróxido de sodio	VWR	BDH7221-4	solución acuosa de 0,5 N, densidad 1,02 g/ml, peso molecular 40 g/mol
Hidróxido de sodio	Acros Organics	AC12419-0010	0,1 N solución quesera, gravedad específica 1,0 g/ml, peso molecular 40 g/ mol
Hidróxido de amonio	Acros Organics	AC39003-0025	Solución al 25% en agua, pH 13,6, densidad 0,89, peso molecular 35,04 g/mol
Peróxido de hidrógeno	Fisher Scientific	H325-100	30.0~32.0% certificado ACS, pH 3.3, densidad 1.11
Hojas de mica	TED Pella	NC9655733	Pelco, grado V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, mínimo aire y burbujas, muy limpio
Ácido	sulfúricoFisher Scientific	A300-212	95.0~98.0 w/w%, certificado ACS plus, peso molecular 98.08 g/mol
Acetato de celulosa	McMaster Carr	8564K44	grado de sustitución 2.5
Ethanol	Decon Laboratories	04-355-223	200 proof (100%), USP
[header]
Acetona	Fisher Scientific	A18-4	pureza ≥ 99,5%, grado de reactivo ACS certificado, densidad 0,79 g/ml, peso molecular 58,08 g/mol
Bomba de jeringa	Harvard Apparatus	552226	bomba 22 infusión/extracción con soporte de jeringa estándar, caudal 0,002 μ l/hr~55.1 ml/min
Sistema de purificación de agua Mill-Q	EMD Millipore	D3-UV	Direct-Q, UV, conductividad del agua 18.5 MΩ · cm con depósito de 20 L
medidor de pH	Mettler Toledo		SeverMulti
Balance	Mettler Toledo	AB135-S	precisión 0,1 mg
Microscopio de fuerza atómica	Asylum Research		MFP-3D, escenario de microscopio fluorescente olímpico
Elipsometer	Beaglehole Instruments
Centrífuga de fibra	desconocida		centrífuga de estilo
batidora Waring	Waring		Comercial
Procesador ultrasónico	Sonics		Sonics 750 W, caja de sonido
Microbalanza de cristal de cuarzo con control de disipación (QCM-D)	Q-Sense Inc.	E4	mide la frecuencia fundamental de 5 MHz y monitorea armónicos / armónicos de números impares de 3 ~ 13, usa cristales de cuarzo piezoeléctrico recubiertos de oro
Brazo de cucharón automatizado	Lynxmotion

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