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 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
DİKKAT: onlara dokunmadan önce tüm kimyasalların malzeme güvenlik bilgi formuna (MSDS) okuyun. Bu çalışmada kullanılan kimyasalların pek çok ciddi sağlık hasarlarına neden olabilir. Böyle laboratuvar önlüğü, eldiven ve gözlük gibi kişisel korunma kullanarak bir zorunluluktur. güvenliği önce gelir unutmayın. sentez boyunca kullanılan su damıtılmış sudur.
bir ara madde olarak kısmen oksitlenmiş Liflerin hazırlanması 1.
- Yaklaşık 2 x 2 cm2'lik küçük parçalar halinde 4 g S-90 yumuşak tahta kağıt hamuru tabakaları Yırtılma.
- en az bir gün boyunca su içinde parçalanmış hamur tabakalarına bekletin.
- hemen hemen üniform bir dağılım elde etmek için mekanik bir parçalayıcı kullanılarak ıslak kağıt hamuru bozunur.
- vakum filtresi monte etmek için, bir Buchner hunisi içinde naylon filtre güvence altına almak ve bir filtre şişesi içinde huni. Daha sonra, uygun bir boru ile bir vakum pompasına filtre şişesi bağlayın. Pompanın açın ve funn içinde parçalanmış hamuru çözüm dökünEl sıvıdan hamuru ayırmak için.
- Islak kağıt hamuru (m 1) ağırlığını ölçmek ve kağıt hamuru tarafından emilen su miktarını hesaplamak: w m, 1 = m 1-4.
- periodat oksitleme çözeltisinin hazırlanması
- SNCC / Damc sentezi için: ayrı ayrı a 200- m, 1 ml su içinde 2.64 g sodyum periodat (NAIO 4) ve 15.48 g sodyum klorür (NaCI) çözülür.
- ENCC / DCC sentezi için: ayrı ayrı a 266- m, 1 ml su içinde 5.33 g sodyum periodat (NAIO 4) ve 15.6 g sodyum klorür (NaCl) çözülür.
- 1.6 hazırlanan çözümlere ayrı ıslak hamuru ekleyin. (Hamuru artı eklenen su tarafından absorbe) toplam su miktarı SNCC 200 ml ENCC sentezler için 266 ml'ye eşit olduğundan emin olun.
- t istenen bir miktarına, oda sıcaklığında hızı ~ 105 rpm karıştırılırken periodat devreden önlemek için iyice alüminyum folyo ile beher Kapakime Tablo 1 'e göre bir tercih edilen aldehid içeriği elde etmek. Bir örnek olarak, ~ 6.5 mmol / g aldehid elde etmek için 96 saat için reaksiyona girmektedir.
- Reaksiyon süresi geçtiğinde, alüminyum folyo açmak ve karışıma, etilen glikol (ENCC / DCC sentezi durumunda) ya da 3 ml (SNCC / Damc sentezi durumunda) 1 ml ilave edilir ve oksidasyon durdurmak için 10 dakika süre ile karıştırılmaya periyodat söndürülmesi ile reaksiyon.
- Vakum filtrasyonu (1.4 uygun) ile oksitlenir hamuru toplayın, 500 ml suda yeniden disperse ve 30 dakika için karıştırın. periyodat iyice hamuru temizlemek için en az 5 kez bu adımı yineleyin.
- Okside hamuru üzerinde 5. su yıkamadan sonra, vakumla süzülerek çözeltiden hamuru ayırmak ve soğuk (4 ° C) bir yerde saklayın.
SNCC ve Damc 2. sentezi
- Dört tarafından, 1.11 elde kısmen oksitlenmiş ıslak hamuru (m 1), Divide: m 2 = m 1/4,- 1 2 w m = m 2: ve emilen su ağırlığını ölçmek.
- (- 2, Wm 100), yuvarlak tabanlı bir şişe içinde g su (toplam su içeriği = 100 g) hamuru dağıtılır.
- Bir yağ banyosu içinde yuvarlak tabanlı bir şişe yerleştirin ve yavaşça karıştırılarak 6 saat süreyle 80 ° C de kısmen oksitlenmiş hamuru ısıtın.
Not: hamuru tam periodat ile oksitlenir (DS = 2), örneğin, 3.87 g NaCl (8.64 mmol) ve 65 ml su, 6 karıştırılarak içeren bir çözelti içinde 1.85 g NAIO 4 (8.65 mmol) 1 g kağıt hamuru reaksiyona sokularak gün, su ısıtma durumu ve ikamet süresine bağlı olarak, dialdehid selüloz (DAC) mülkü (Tablo 2) değiştirilir. - RT çözüm serinleyin.
- 10 dakika için 18,500 x g'de santrifüjleyin çözeltisi. Çökelti unfibrillated selüloz (fraksiyon 1) 'dir.
- dikkatle süpernatant ayırın ve (A) tartın.
- 1.7 (a) ila g propanol eklemeSNCC'nin çökeltmek için karıştırılırken 2.6 'de elde edilen süpernatanta. Ayrılmış SNCC ve katma propanol ile ilgili detaylar, Şekil 1 'de mevcuttur.
- 10 dakika boyunca 3000 x g'de iki fazlı çözelti santrifüj ve yeniden dağıtılır ve daha fazla arıtılmadan (bölüm 4) ve karakterizasyonu (Bölüm 5) diyaliz hazırdır dekantasyon ile sonuçlanmıştır jel benzeri bir çökelti (ikinci kısım, SNCC) ayrılır.
- 2.8 'de elde edilen üst sıvı için, beyaz bir çökelti (üçüncü fraksiyon Damc) elde etmek üzere 3,5 (a) ila g propanol ekleyin.
- 10 dakika boyunca 3000 x g'de 2.9 çözeltisi santrifüj ve hazır (Ayrı bir kabta süpernatant dökülerek) jel benzeri Damc çökeltiyi toplamak (bölüm 4 de ayrıntıları) dializ sureti ile saflaştırılarak, suda tekrar ve karakterize edici özelliği olan (bölüm 5).
ENCC ve DCC 3. sentezi
- 100 ml içinde çözülmesi ile 0.5 M sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi hazırlayın ~ 2 g NaOHSu ve bir kenara saklayın. Bu aşama 3.7'de kullanılacaktır.
- M 3 = m 1/4 ve emilen su ağırlığı ölçmek: dört tarafından, 1.11 elde edilen ıslak okside hamuru, Böl w m, 3 = m 3-1.
- (- 3 w m, 50) ihtiva eden, su ve çözünmesi için karıştırılmıştır Ayrı için 2.93 g sodyum klorid (NaCl) ile 1.41 sodyum klorit (NaClO 2) ekleyin.
- Içinde M 3.3'de elde edilen çözelti içinde (ihtiva ~ 1 gr kuru oksitlenmiş hamuru) ıslak okside hamuru 3 gram Askıya. Nihai hamuru konsantrasyonu 50 ml toplam kullanılabilir su içinde 1 gr olduğunu unutmayın (serbest ve su absorbe).
- 3.4 çözeltisi içinde bir pH metre yerleştirin.
- Aşama 3.4 damla damla karışıma 1.41 g hidrojen peroksit (H2O 2) ekleyin.
- yavaş yavaş aşama 3.1'de hazırlanan 0.5 M sodyum hidroksit (NaOH) eklenmesi ile pH ~ 5 tutulurken 105 rpm'de, oda sıcaklığında 24 saat süre ile 3.6 süspansiyonu karıştırılır.
pH reaksiyonunun başlangıcında hızla takip eden yaklaşık 15 dakika azaltılması başlar ve reaksiyonun en azından ilk 4 saat boyunca 5 ° C'de sabit tutulmalıdır: edin. Kolaylık sağlamak için, reaksiyon, 1 de başlayan ve pH 5 pm kadar kontrol edilmesi tavsiye edilir, daha sonra reaksiyon bırakılır O / N ve erken pH yeniden 5'e arttırılır sabah. gibi uzun bir süre sonra, pH düşüşü dönüşüm en elde edilir gösteren önemli olmayacaktır. Hemen hemen hemen hiç katı madde (büyük elyaf nanopartiküller ayrılır) çözelti içinde görülmektedir. Reaksiyon daha uzun bir süre bırakıldığında, kristalin parçası bozulduğu unutmayın. - 10 dakika süre ile 27,000 x g de eşit ağırlıklı santrifüj tüpleri ve santrifüj içine 3.7 elde edilen süspansiyon bölün ve mikro-elyaflı çökeltiden süpernatant (ENCC + DCC) ayrılır.
- 3.8 elde edilen süpernatant tartılır ve çözüm kitle (B) diyoruz.
- Yavaş yavaş 0.16 (B) g Ethan eklemekbeyaz bir çökelti (ikinci kısım, ENCC) oluşturmak için karıştırılırken 3,9 çözeltisine ol.
- Santrifüj 10 dakika boyunca 3000 x g'de 3.10 çözeltisi ve dekantasyon ile sonuçlanmıştır jel benzeri ENCC çökeltiyi ayırmak. ENCC diyaliz (bölüm 4 uygun bilgi) ile saflaştırılmıştır, suda tekrar ve (Bölüm 5) ile karakterize hazırdır.
- 3.11 'de elde edilen üst sıvı için, beyaz bir çökelti (üçüncü fraksiyon, DCC) vermek üzere çözelti, kütle olarak etanol eşit kütleli ekleyin.
- 10 dakika boyunca 3000 x g'de 3.12 çözeltisi santrifüj ve jel benzeri DCC (bölüm 4 de ayrıntıları) dializ sureti ile saflaştırılarak, suda tekrar ve karakterize edici özelliği hazır çökeltiyi ayırmak.
4. diyaliz prosedürü SNCC, Damc, ENCC veya DCC saflaştırmak için
- 1 saat süre ile şiddetli bir karıştırma ile 10 mi su içinde jel benzeri 2,8 (SNCC) herhangi bir adımda elde edilen çökelti, 2.10 (Damc), 3.11 (ENCC) ya da 3.13 (DCC) yeniden disperse.
- Yeri incie diyaliz tüp dağılım (MW Kesim = 12-14 kDa, Uzunluk ~ 30 cm, genişliği ~ 4.5 cm) ve kırpma yoluyla alt ve üst sabitleyin.
- damıtılmış su ~ 4 L doldurulur diyaliz torbası yerleştirilir ve tuzlan çıkarmak için 24 saat daha karıştırıldı.
- soğuk (4 ° C) bir yerde, bir kap ve mağaza diyaliz solüsyonu toplayın.
5. Post-arıtma Karakterizasyonu: Katı Faz ve Şarj Konsantrasyonları Ölçüm
- konsantrasyon ölçümü
- bir ağırlık çanak istenen dağılım 3 ml (Alüminyum fincan, 57 mm) tartılır.
- bir fırında (50 ° C) göre O / N dağılmayı içeren tartım tabağına yerleştirin.
- kuru filmi tartılır ve dağılım içinde nanopartiküller veya polimer konsantrasyonu hesaplamak:
Konsantrasyon = kuru film / 3 x 100 kütle, ya da (v / ağ%)
Konsantrasyon (% ağırlık / ağırlık) = dispersiyonun kuru film / kütle x 100 kütle
- Kondüktometrik ufalamanın
- Aldehid içeriğini belirlemek için SNCC ya Damc Kondüktometrik ufalamanın
- 100 ml son hacim ayarlama ardından 25 mi su, 0.82 ml HCI eklenerek 0.1 M hidroklorik asit (HCI) hazırlayın.
- Ayrıca, son çözelti 100 ml elde etmek için, damıtılmış suya 0.4 g sodyum hidroksit eklenerek NaOH, 0.1 M hazırlar.
- Hidroksilamin hidroklorür yöntemi 24 sonra, su istenen bir miktarına karşılık arzu edilen bir dispersiyon bilinen miktarda bir ilave (örneğin, 50 0,02 g mi H2O).
- HCI (0.1 M) inceltilmiş 3.5'e pH ayarlayın.
- 10 ml dispersiyon, hidroksilamin hidroklorid solüsyonu (ağ / ağ% 5) eklenir.
- pH'ı Monitör ve pH 3.5 stabil hale gelinceye kadar 0.1 M NaOH eklenerek 3.5 olarak tutmak.
- NaOH tüketilen hacmi kullanılarak aldehid grupları ve OH, NH2 HCI reaksiyonundan serbest H + nötralize aldehid konsantrasyonunun ölçülmesition (reaksiyon esnasında üretilen HCI tüketilen NaOH = mol mol = SNCC ile aldehid gruplarının mol) eklenmiştir.
- Karboksil içeriğini belirlemek için ENCC veya DCC Kondüktometrik ufalamanın
- Literatürde 25 takiben, distile su, katı 140 ml 0,02 g olması istenen bir dağılım yeterli miktarda ekleyebilirsiniz.
- Ayrıca, son çözelti 100 ml elde etmek için damıtılmış su içinde 0.117 g NaCl çözülmesiyle 20 mM NaCI hazırlar. 5.2.2.1 20 mM NaCI 2 ml ilave edilir.
- 3 HCI (0.1 M) inceltilmiş pH azaltır.
- pH ~ 11 için 0.1 ml / dakika aralıklarla standart sodyum hidroksit (NaOH, 10 mM) eklenerek Kondüktometrik ufalamanın gerçekleştirin.
- , Yüklü gruplar (Şekil 2'de ayrıntıları) nötralize yüzey yükü konsantrasyonunu ölçmek için NaOH tüketilen hacimli (tüketilen baz 1 mol partikül yüzeyi üzerinde bir mol COOH eşittir).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kağıt hamuru periodat ve klorit oksidasyon sırasında, her bölüm kütle bölümü ve şarj içeriği reaksiyon süresi (Tablo 1) bağlıdır. Ayrıca, DAC molekül ağırlığı ısıtma durumu ve ikamet süresi (Tablo 2) bağlıdır. SNCC ve Damc yapıldıktan sonra, bunlar propanol (Şekil 1) eklenerek çökelirler. ENCC yük içeriğini ölçmek için, kondüktometrik ufalama (Şekil 2) gerçekleştirilir. NCC ve ENCC kolloidal davranışı iyonik kuvvet ve pH etkilenir. Boyut ve KCl tuz konsantrasyonu ve pH karşı KKK ve ENCC zeta potansiyeli Şekil 3'te sunulmuştur. SNCC nötr parçacık ve onun büyüklüğü ilave propanol (Şekil 3) etkilenir. NCC, ENCC ve SNCC (Şekil 4) transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) görüntüleri bu parçacıkların f yarar kanıtlamakBenzer bir kristalin beden rom. Yüksek bir karboksil grup içeriğini taşıyan, ENCC sulu sistemler (Şekil 5) arasında bakır iyonu yüksek miktarda ayırabilmektedir. FTIR spektrumları ve ENCC / DCC ve SNCC 13 C NMR geleneksel KKK ve selüloz hamuru (Şekil 6) ile kimyasal yapı farklılıkları ortaya koymaktadır. Son olarak, oksitlenmiş selüloz (Şekil 7) çeşitli bölümleri, X-ışını difraksiyonu (XRD), bu maddelerin kristallik ışık tutmaktadır.
| Periodat oksidasyon süresi (saat) | Aldehid içeriği (mmol / g) | kesir | Kütle oranı (%) | Şarj içeriği (mmol / g) |
| 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 |
P periodat ve klorit oksidasyon sırasında her fraksiyonun Tablo 1. Kütle bölümü ve şarj içeriği ulp 23.
| Sıcaklık (° C) | Isıtma süresi (saat) | Oda sıcaklığında su içinde kalış süresi (gün) | Ortalama molar kütle (kDa) | Polimerizasyon derecesi |
| 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 |
Şekil 1. çöktürülmüş SNCC ve Damc ekledi propanol 21 karşı. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
ENCC. COOH konsantrasyonu = 0,01195 (V NaOH) için Şekil 2. Kondüktometrik titrasyon grafiği * 10 mM (NaOH konsantrasyonu) / 0.02 g (ilk ENCC) ~ 5.98 mmol / g. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız.
Yüksek iyonik güçte 17 de Şekil 3. (A) KKK ve ENCC davranış. Katma propanol 21 karşı SNCC (B) Boyut evrimi. (Cı - F) NCC (daireler) ENCC (kareler) boyut ve KCI tuzu konsantrasyonu ve pH elektrokinetik-sonik amplitüdlü (ESA) elde edilmiş ve akustik zayıflama spektroskopisi 17 karşı zeta potansiyeli. Panelinde (C) yıldız dinamik ışık saçılması temsil ettiğini unutmayın (DLS) boyutu. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4. Transmisyon elektron mikroskobu ( TEM) ve (B) 0 ppm, (C), 100 ppm, ve (D) 300 ppm bakır konsantrasyonları 22, (A) NCC 21, ENCC ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) görüntüler ve (E & F) SNCC 21. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
ENCC q 'denge bakır konsantrasyonu C e 22 karşı e Şekil 5. Bakır kaldırma kapasitesi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
3 / 54133fig6.jpg "/>
Ücretli Şekil 6. (a) selüloz hamuru (a, şarj içerikli 0.06 mmol / g), birinci fraksiyon (B), ikinci fraksiyon (Cı örneğin, ENCC) ve üçüncü fraksiyon (d, yani FTIR spektrumu, DCC içerik 3.5 mmol / g) 23. (B) Sıvı faz 13 DCC C NMR (şarj içeriği 3.5 mg / g) 23. Selüloz hamuru, NCC ve SNCC 21 (C) FTIR spektrumları. (D) Katı hal selüloz hamuru, KKK ve SNCC 21 13C NMR. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Oksitlenmiş selüloz fraksiyonu, Şekil 7. X-ışını difraksiyonu (XRD) (A). Başlangıç selüloz, (
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 aldehid içeriği. Çeşitli negatif yüklü türler, yani fraksiyon 1 (karboksilatlı hamur lifleri), fraksiyon 2 (ENCC) ve fraksiyon 3 (DCC) klorit sonuçları bu ara maddelerin daha başka oksitleme Tablo 1 'de belirtildiği gibi. Periodat (hamuru tam oksitlenmiş halinde DS = 2) ısıtma koşulu (sıcaklık ve inkübasyon süresi), çeşitli molekül ağırlıkları ve dereceleri dialdehid selülozun bir dizi (DAC) bağlı olarak, pişmişPolimerizasyon üretilebilir. Tablo 2 ısıtma koşulu karşı DAC molekül ağırlığını göstermektedir. Isıtma son derece aktif maddeler olarak kullanılabilir Nötr aldehid işlevselleştirilmiş nanopartiküller (SNCC) ve polimer (Damc) içine kısmen periodat oksidize hamuru dönüştürme için kolay bir yol sunar. SNCC ve Damc dikkatli bir ko-çözücü, örneğin, propanol ilave edilerek izole edilir. Ilave propanol sunulmuştur karşılık, Şekil 1 'de, SNCC'nin ve Damc ayrıldı.
Şekil 2'de tarif edildiği gibi ENCC ya da DCC yapılır, basit bir kondüktometrik ufalama sonra yüzey yükü (karboksil) içeriğini ölçmek için kullanılmıştır. NaOH eşdeğer miktarda bir yüzey yükü nötrleştirebilmesine verimleri yük yoğunluğu (ör ~ 6 mg / g Şekil 2). ENCC yüksek yük yoğunluğu çıkıntılı dikarboksillenmiş selüloz (DCC) zincirlerinin hariç hacmi ile birlikte, bir sağlayan, elektrostatik onları stabilizeelectrosterically istikrar. Şekil 3A'da, ENCC en az 500 mm KCI bir dengeli dağıtıcı kadar kalır, iyonik güçte 50 mM, KKK, bir jel oluşturur gösterilmiştir. Böyle bir davranış akustik zayıflama spektroskopisi kullanılarak NCC ve ENCC büyüklüğü okuyan ile teyit edilir: 'den KKK boyutunu artırır ~ 80 ENCC boyutu azalır ~ 220 nm arasında, 0 ila 50 mm arasında iyonik gücünün arttırılması suretiyle ~ 150 nm ila 50 nm bağlı DCC zincirleri (Şekil 3C) çıkıntı yapan bir geri çekme 0 ila 200 mM arasında KCI konsantrasyonunu arttırarak nm. NCC zeta potansiyeli gelen bir düşüş eğilimine kıyasla ~ -100 mV ENCC kararlı zeta potansiyeli ~ -75 mV ~ -40 mV ENCC yüksek bir stabil şarj (Şekil 3D) kanıtlıyor. Ayrıca, pH değerine bağımlı (pH bağımsız) zeta potansiyeli (ve boyut) ENCC (NCC) için 3 de ve sonuçlanan NCC güçlü asit yüzey gruplarının (Şekil 3E ve F) kıyasla zayıf bir asit olarak ENCC yüzeyi davranır60.; Şekil 3B'de tasvir edildiği gibi, pH <12. İlginç bir şekilde, SNCC boyutu ortak çözücü konsantrasyonunu etkilenir.
TEM ve NCC, ENCC ve SNCC AFM görüntüleri (Şekil 4) benzer kristal kısmına doğruluyor. Ayrıca, örneğin bakır gibi bir iki değerli ağır metal iyonunun varlığında, ENCCs düşük Cu (II) konsantrasyonda yüksek düzeyde kararlı yıldız benzeri agregatlar oluştururlar (örneğin, 100 ppm, Şekil 4C), yüksek bakır konsantrasyonları (en ör 300 ise ppm, Şekil 4D), büyük sal gibi, kararsız agrega oluşur. Bu, sırasıyla, 22, düşük ve yüksek bakır konsantrasyonlarda ENCC kısmi veya tam yük nötralizasyonu ilişkilendirilir. Böyle bir eğilim. Ağır metal iyonları sulu sistemlerden bakır iyonları ayırmak için ENCC kullanmak için bizi teşvik adsorbe 5 denge bakır konsantrasyonu 22 karşı bakır çıkarma kapasitesini sunar Şekil. Bu duruma göre, 1 gr ENCCENCC yüzey yükü içeriği eşdeğerdir ~ 180 mg bakır (II) kaldırmak mümkün. Böyle bir yüksek ağır metal iyonu kaldırma kapasitesi yerleri yüksek verimli adsorbanlar 22 arasında bu nano malzeme.
Oksitlenmiş hamuru (Şekil 6A), farklı fraksiyonların FTIR spektrumları karşılaştırılması 1.015 cm-1 (CH2 -O zirve ile karşılaştırıldığında fraksiyon sayısı, 1.605 cm tepe şiddetine arttırarak -1 COONa artışlarına karşılık gelen düşündürmektedir -CH2) 23. Bu fraksiyonların 23 karboksil içeriği giderek artmasına kanıtlıyor. İlginç bir şekilde, Şekil 6C'de, 1.730 ve 880 cm SNCC karakteristik tepe noktaları -1, selüloz hamuru ve NCC ile karşılaştırıldığında, karbonil grupları ve hemiasetal bağ, sırasıyla, 21 gerilmesi yansıtmaktadır. Sıvı faz DCC (Şekil 6B) 13 C-NMR 59 ppm doruklarını gösterir (C6)Ve 75-80 ppm (C4 ve C5), 102 ppm (C1) ve 175 ppm (C2 ve C3 karboksil grubu) birden fazla zirveleri 23. Şekil 6D C4 'omzunu işaret 13C NMR, katı durumunu ifade eder selüloz fazına karşılık gelen pik. Keskin C4 tepe bu tepe oranı 90 ppm KKK selüloz hamuru 21 daha yüksek kristallikte gösteren daha yüksek olan en (selüloz, kristal halindeki karşılık gelen). 60-80 ppm ve 85-105 ppm ve 175-180 ppm karbonil doruklarına eksikliği geniş zirveler SNCC 21 aldehit gruplarının hemiasetal bağlantısını göstermektedir. X-ışını kırınım selüloz ve çeşitli yükseltgenmiş kısımların (Şekil 7) (1, 2, ve 3) ~% 79,% 61,% 91, sırasıyla 23% 23 kristal düzeyi endeksleri, elde edilir.
Bu makalede, nötr veya yüksek ücret Biyopolimerlerin ve ağaç liflerinden kıllı nanopartiküllerin yeni sınıflar nasıl hazırlanacağını kanıtlanmıştır. Bu yeni gReen maddeler, geleneksel nanokristal selüloz (KKK) kıyasla olağanüstü kolloidal ve yüzey özelliklerine sahiptir. Bunlar çevresel iyileştirme, nanotıpta, nanokompozitler ve malzeme bilimi, mikro ve nanoelektromekanik sistemler (MEMS / NEMS) gibi uygulamalar geniş bir yelpazede kolaylaştırılabilir. Bu araştırma ve keşif selüloz bazlı nanoteknoloji yeni bir ufuk açıyor.
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 | - |
References
- 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. , Academic Press. New York. (1993).
- Nageli, C., Schwendener, S. Das Mikroskop, Theorie und Anwendung desselben. 2. Verbesserte auflage. , Leipsig: Engelmann. Leipzig. (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.
- 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).
- 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).
- 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.
- Araki, J., Wada, M., Kuga, S. Steric stabilization of a cellulose microcrystal suspension by poly (ethylene glycol) grafting. Cellulose. 17 (1), 21-27 (2001).
