Summary
O objetivo desta pesquisa foi o de formar planta sintética tecido da parede celular usando montagem camada por camada de fibrilas nanocellulose e lignina isolado montado a partir de suspensões aquosas diluídas. Foram utilizadas as técnicas de medição de superfície de microbalança de cristal de quartzo e de microscopia de força atómica para monitorizar a formação do material nanocompósito de polímero-polímero.
Abstract
Materiais de madeira são compostos de paredes celulares de plantas que contêm uma parede celular secundária em camadas composto por polímeros de polissacáridos estruturais e lignina. Camada por camada (LbL) processo de montagem que se baseia no conjunto de moléculas de cargas opostas de soluções aquosas foi usada para construir um filme composto independente de polímeros de madeira isolados de lignina e celulose oxidada nanofibril (NFC). Para facilitar a montagem destes polímeros carregados negativamente, de um polielectrólito de carga positiva, de poli (cloreto de diallyldimethylammomium) (PDDA), foi utilizado como uma camada de ligação para criar esta parede celular modelo simplificado. O processo de adsorção em camadas foi estudado quantitativamente utilizando microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) e elipsometria. Os resultados mostraram que a camada de massa / espessura por camada adsorvida aumentou como uma função do número total de camadas. A cobertura da superfície das camadas adsorvidas foi estudada com microscopia de força atômica (AFM).A cobertura completa da superfície com a lignina em todos os ciclos de deposição foi encontrado para o sistema, no entanto, a cobertura de superfície por NFC aumentou com o número de camadas. O processo de adsorção foi realizada durante 250 ciclos (500) em bicamadas um acetato de celulose (CA) do substrato. Transparente LBL montado filmes estacionárias nanocompósitos foram obtidos quando o substrato CA foi depois dissolvido em acetona. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) das seções transversais fraturadas mostrou uma estrutura lamelar, ea espessura por ciclo de adsorção (PDDA-lignina-PDDA-NC) foi estimada em 17 nm para dois tipos de lignina diferentes usados no estudo. Os dados indicam uma película com uma arquitectura altamente controlado onde nanocellulose e lignina são espacialmente depositado em nanoescala (um nanocompósitos polímero-polímero), semelhante ao que é observado na parede celular nativa.
Introduction
Há um grande interesse de obter produtos químicos e combustíveis adicionais a partir de biomassa, como o carbono seqüestrado pelas plantas durante a fotossíntese é parte do atual ciclo de CO 2. A maioria de carbono retido (42-44%) está na forma de celulose, um polímero composto por unidades de glucopiranose β de 1 a 4 ligações; quando hidrolisado, a glicose pode ser utilizada como reagente principal para a fermentação em combustíveis à base de álcool. No entanto, a arquitectura da parede celular de plantas lenhosas evoluiu para milênios criando um material que é resistente à degradação no ambiente natural 1. Esta estabilidade se transfere para o processamento industrial de materiais lenhosos, como culturas energéticas fazendo celulose de difícil acesso, isolar e quebra em glicose. Um olhar mais atento a ultra-estrutura da parede celular secundária revela que é um nanocompósito polímero composto de microfibrilas de celulose paracristalinas camadas incorporado em uma matriz amorfa de lignina e bainhaicelluloses 2-4. As microfibrilas de celulose orientadas longitudinalmente tem um diâmetro de cerca de 2-5 nm, que são agregados em conjunto com outros hetero-polissacarideos, para formar unidades maiores de 5 feixes de fibrilas. Os feixes de fibrilas são embutidos em um complexo de lignina-hemicelulose composto de um polímero amorfo de unidades fenilpropanol, com algumas ligações com outros hetero-polissacarídeos como glucoronoxylan 4. Além disso, esta estrutura é ainda organizado em camadas ou lamelas, em toda a parede celular secundária lignificação 6-8. As enzimas, como as celulases, têm um tempo muito difícil o acesso de celulose dentro da parede da célula, uma vez que se encontra na sua forma de fibrilas e incorporado na lenhina. O ponto crucial de verdadeiramente fazer combustíveis de base biológica e plataformas de produtos químicos renováveis a realidade é desenvolver processos que permitem economicamente a sacarificação de celulose em sua forma nativa.
Novas tecnologias químicas e de imagem estão auxiliando na ruaudy dos mecanismos envolvidos na sacarificação de 9,10 celulose. Muito trabalho tem-se centrado em Raman confocal de imagem 11 e microscopia de força atômica de 12 para estudar a composição química da parede celular e morfologia. Ser capaz de acompanhar de perto os mecanismos de deslignificação e sacarificação é um passo significativo para a frente, impactando a conversão de celulose em glicose. Sacarificação de superfícies de celulose modelo foi analisado por medir as taxas cinéticas de enzimas com uma microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) 13. No entanto, as paredes celulares são nativas altamente complexa, como indicado acima, e isto cria a ambiguidade de como diferentes processos de conversão de alterar a estrutura da parede da célula da planta (peso molecular do polímero, ligações químicas, de porosidade). Modelos de instalação livre das substâncias da parede celular com composição estrutural conhecido iria resolver este problema e permitir a integração de amostras em química e imaginação estado-da-arteequipamentos ng.
Existe uma falta de modelos da parede celular e outros disponíveis podem ser categorizados como misturas de materiais de polímero e de celulose regenerada ou de celulose bacteriana 14, enzimaticamente polimerizados compósitos de lignina-polissacarídeo 15-17, 18-21 ou superfícies do modelo. Alguns modelos que começam a assemelhar-se a parede da célula são as amostras que contêm lenhina ou análogos precursores polimerizados enzimaticamente na presença de celulose, na sua forma microfibrilar. No entanto, estes materiais sofrem de falta de arquitectura camada organizada. Uma rota simples para a criação de materiais nanocompósitos com arquitetura organizada é o (LbL) técnica camada por camada de montagem, com base na adsorção seqüencial de polímeros ou nanopartículas com encargos complementares ou grupos funcionais de forma organizada filmes compostos de várias camadas 22-25. Free-standing nanocompósitos híbridos de alta resistência, feitos por deposição LbL de polímero e nanoparticles, têm sido relatados por Kotov et al. 26-30. Entre muitas outras aplicações, filmes automontados também têm sido investigados por seu uso potencial na entrega terapêutico 31, as membranas das células de combustível 32,33, as baterias de 34, e da superfície de fibras lignocelulósicas modificação 35-37. Materiais compósitos O interesse recente na celulose nanoescala baseados levaram à preparação e caracterização de multicamadas LbL de nanocristais de celulose (CNC), preparados por hidrólise com ácido sulfúrico, de fibras de celulose, e polielectrólitos positivamente carregados 38-43. Estudos semelhantes também foram realizados com nanocristais de celulose obtidos a partir tunicin marinha e polieletrólitos catiônicos 44, CNC e xiloglucano 45 e CNC e quitosana 46. LbL multicamadas de celuloses carboxiladas nanofibrillated (SNF), obtidas por homogeneização de alta pressão, de fibras de celulose com polielectrólitos catiónicos tem sido tambémEstudou 47-49. A preparação, propriedades e aplicação de CNCs e celulose nanofibrillated foram revistos em detalhe 50-53.
O presente estudo envolve a análise da técnica LbL como uma forma potencial para montar polímeros lignocelulósicos isolados (como nanocellulose e lignina) de forma ordenada como o primeiro passo no sentido de uma composição lignocelulósica biomimético com estrutura lamelar. A técnica de automontagem foi seleccionado para as suas condições de processamento benignas, tais como, a temperatura ambiente, a pressão, e água como o solvente, que são as condições para a formação de compósitos singular 54. Neste estudo, um relatório sobre o multicamadas acúmulo de componentes de madeira constitutivos, ou seja, as microfibrilas de celulose da tetrametilpiperidin 1-oxi (TEMPO) oxidação mediada de celulose e lignina isolada em filmes lamelares free-standing. Dois ligninas diferentes são usadas de diferentes técnicas de extração, um a lignina técnica do organosolv processo de polpação, e por outro uma lignina isolada da bola de moagem com menos alteração durante o isolamento. Estes compostos são combinados com um polieletrólito sintético neste estudo inicial para demonstrar a viabilidade de tornar estáveis filmes free-standing com arquitetura semelhante à parede celular nativa.
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Protocol
1. Nanofibrillated Celulose Preparação 55
- Configuração de 3 L balão de três tubuladuras com 2 L de água desionizada, um agitador de topo, e sonda de pH.
- Adicionar pasta kraft deslenhificada, 88% de brilho (20 g, 1% (w / v, com base no peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g celulose) e brometo de sódio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g celulose) ao balão.
- Misturar a fibra de celulose com o agitador suspenso até que a fibra é dispersa e não agregados podem ser vistos na reacção.
Nota: A dispersão pode ser auxiliada por mistura da pasta em água antes da adição da pasta de papel para o balão de 3 L.
- Misturar a fibra de celulose com o agitador suspenso até que a fibra é dispersa e não agregados podem ser vistos na reacção.
- Inicia-se a oxidação por adição lenta de uma solução a 12% de hipoclorito de sódio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol por g de celulose) à mistura de reacção.
Nota: Para consistência ao longo da reacção, usar uma bomba de seringa, para proporcionar o NaClO com uma taxa de injecção de 1,5 ml / min. - Encha um segundo wi seringahidróxido de po de sódio (NaOH, 0,5 M) e de um medidor manualmente a solução alcalina para o balão gota a gota, para manter o pH a 10 ± 0,2.
- Monitorizar a variação do pH ao longo do tempo e uma vez que todos os grupos hidroxilo acessíveis sobre a celulose são oxidados o pH já não vai diminuir e a reacção está completa.
- Adicionar excesso de EtOH para consumir restante NaClO. Aproximadamente 6 ml de EtOH de prova 200 irá consumir todos os 100 mmol de NaClO originais.
- Filtra-se e lava-se a fibra completamente oxidada com água purificada para remover os reagentes até pH neutro. Use uma centrífuga de cesto ou algum dispositivo de filtração de um funil de Buchner para recuperar a fibra. Armazenar a fibra a 4 ° C até à sua utilização.
Nota: Após a conclusão da experiência, a fibra deverá ter um conteúdo de ácido carboxílico, tal como determinado por titulação conductométrica, entre 1,0 a 1,5 mmol por grama de fibra. Deve haver pouca diferença em aparência da fibra após a oxidação TEMPO. - Criar um 3% (w / v, com base no peso seco) a pasta de celulose oxidada TEMPO e misturar num misturador Warring até a suspensão torna-se viscosa e as pás começam a girar no ar devido a gelificação da suspensão.
Nota: As concentrações mais baixas não funcionam tão eficazmente para fibrilar de celulose.- Dilui-se a pasta combinada a 0,1% (w / v) e continuar a misturar até a suspensão se tornar transparente.
2. Camada por camada Film Deposition para Experimentos QCM-D
- Preparar as seguintes soluções aquosas e ajustar cada solução com NaOH 0,1 M a um pH de 10,5: solução tampão aquosa (água e NaOH); 0,5% (w / v) de solução aquosa de cloreto de polydiallyldimethylammonium (PDDA); e 0,01% (w / v) de lignina. Ajustar o pH da suspensão NFC 0,1% a 8,0.
Nota: O pH para estas experiências foi elevada, porque foi anteriormente demonstrado que a lignina é adsorvido num estado menos agregado em pH alcalino 56. - Limpoum cristal de quartzo revestidos com ouro seguindo recomendações do fabricante, utilizando uma solução de base de piranha [CUIDADO] (3:1 concentrada de NH 4 OH: H 2 O 2 a 60 ° C) durante 10 min.
- Lavar os cristais com água purificada, secar sob uma corrente de N 2, e imediatamente inserir na célula de fluxo de microbalança de cristal de quartzo, para evitar a contaminação do ar.
- Passe o tampão através da célula de fluxo para obter uma resposta de linha de base do cristal ressonante exposta ao líquido.
- Depositar uma camada de PDDA sobre o cristal de quartzo, expondo o cristal de quartzo para a solução PDDA durante 5 min.
- Após 5 min voltar para a solução tampão.
Nota: O processo no passo 2.3 cria uma resposta única camada, onde a quantidade de polímero depositado pode ser determinada sem o efeito da viscosidade da solução de polímero. - Repetir a adsorção de outros polímeros com a seguinte sequência com um tampão de rinse entre cada passo: PDDA (+) (passo 2.3.1); lenhina (-); PDDA (+); e NFC (-). Repita as 4x ciclo para depositar 16 camadas no total de polímeros e nanopartículas.
3. Camada por camada Film Deposition para AFM e Elipsometria Experimentos
- Cole um disco circular de mica para uma lâmina de vidro usando um adesivo epóxi rápida. Após as curas adesivas, coloque um pedaço de fita para o disco de mica. Descasque a fita longe causando a superfície da mica para clivar.
- Limpar uma bolacha de silício com piranha ácido [CUIDADO] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2), durante 20 minutos, seguido de enxaguamento em água significativo antes da deposição de camadas.
- Com as soluções preparadas em 2.1, mergulhar ou a mica recém clivada que está ligado a uma lâmina de vidro ou uma pastilha de silício recém limpos em cada solução seguindo a mesma sequência de protocolo apresentado na 2.3.3.
Nota: Esta técnica irá criar camadas de polymers em cada uma destas superfícies que podem ser inseridos na AFM ou elipsometria, respectivamente. - Imagem das camadas depositadas com um microscópio de força atômica. Use o modo de contato intermitente e vigas com 10 dicas de silício raio nm (primavera constante 42 N / m) para a coleta de imagens da amostra. Definir o tamanho da digitalização como 2,5 x 2,5 mM, ponto digitalização como 512 e ganho integral de 10 para coletar amostras de imagens específicas.
- Para a medição da espessura das camadas com AFM dos filmes secos LbL, utilizar uma pipeta de ponta de plástico macio e uma linha de cicatriz em toda a superfície dos filmes LbL preparados na superfície da mica.
- Depósito filmes LBL para medição elipsometria em wafers de silício. Medir a espessura da película seca com um elipsómetro fase modulada num comprimento de onda de 632,8 nm, utilizando o ângulo de modo múltiplo incidência. Variar os ângulos entre 85 ° e 65 °, a intervalos de 1 °.
4. Preparação de Free-pé LBL Film
- Corte um25,4 x 7,6 milímetros retângulo de acetato de celulose (CA) filme (DS 2.5) que é de 0,13 mm de espessura e anexar ao braço de carga automatizado.
Nota: O acetato de celulose de DS 3.0 não é solúvel em acetona assim DS 2,5 é preferido para recuperar os filmes em camadas. - Encher cada copo de 500 ml com soluções de PDDA, lenhina, e nanocellulose acordo com a concentração e o pH no passo 2.1.
- Encha três provetas adicionais com tampão aquoso para utilizar como uma solução de enxaguamento para cada ciclo de deposição.
- Programe o braço de escavação para prosseguir na mesma seqüência como relatado na 2.3.3.
Nota: É importante a utilização de uma solução de lavagem diferente depois de cada solução de polímero respectivo porque no processo de camada-a-camada, um polímero que não está firmemente ligado à superfície será dessorver. A contaminação cruzada das soluções de lavagem rapidamente faz com que a precipitação dos complexos de polielectrólitos, os quais podem absorver como "defeitos" para a superfície da película.
- Altere as soluções naproveta durante 250 ciclos periodicamente à medida que começam a aparecer por causa do tempo nublado complexos coloidais. Uma opção é automatizar a renovação da solução por meio de bomba peristáltica para entregar solução fresca ou buffer de policloreto de vinila (PVC) recipientes feitos com entradas e saídas.
Nota: As soluções agitadas na recipientes ajudar a melhorar a difusão dos polielectrólitos para a superfície. - Aparar cuidadosamente as arestas da amostra seca com tesouras expondo a borda CA e colocar em uma placa de Petri de vidro coberto cheio com acetona para dissolver o CA.
Nota: Dois filmes são isolados após esta experiência a partir da frente e traseira do CA. - Soak filmes isolado em acetona durante 24 horas e lavar repetidamente com acetona filmes para maximizar a remoção de CA residual.
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Representative Results
QCM-D Análise de Structured Polymer Fabrication Woody Film
A adsorção LbL de lignina, NFC e PDDA foi monitorada em tempo real com QCM-D em dois experimentos diferentes envolvendo dois tipos de lignina. Este método de análise é muito sensível para detectar alterações na frequência, quando as moléculas de adsorver à superfície do cristal de quartzo Figura 1 contém uma descrição pormenorizada da resposta QCM-D em um ciclo de deposição, que envolve duas bicamadas (PDDA:. HMWL e PDDA: NC). Os dados representam a mudança normalizada na freqüência e na dissipação do 7 º harmônico (o instrumento detecta a freqüência fundamental e os 3-13 tons harmônicos ímpares). Uma linha de base foi obtida pela primeira vez com um pH de 10,5 água Milli-Q (denominado como tampão), seguido pela introdução do polímero catiónico, PDDA. A introdução do polímero (passo 1) está associado com uma diminuição de Af, e um aumento correspondente na ΔD. Esta resposta é atrited a uma combinação de adsorção de PDDA sobre o substrato de quartzo revestido de ouro e a mudança nos efeitos em massa do líquido em contacto com o cristal vibra. Passo 1 foi seguido por um passo de lavagem (passo 2) com o tampão para remover o excesso de polímero / não ligado, e para anular a frequência e a dissipação de resposta devido aos efeitos em massa da solução de polímero. Portanto, uma lavagem foi realizada após cada passo de adsorção de polímero. A variação líquida no Af e ΔD da linha de base após o passo 2 é devido à adsorção irreversível de PDDA. No passo 3, a solução foi introduzida de lignina, o que resultou numa diminuição da Af e um aumento correspondente na ΔD. Passo 4, o passo de enxaguamento causou um ligeiro aumento em Af, no entanto, a ΔD permaneceu inalterada, o que sugere que a lignina é depositada como uma camada sobre a camada rígida PDDA quando em contacto com o revestimento de ouro substrato de quartzo. Para depositar a segunda camada dupla, (PDDA: NC), a solução foi PDDA reintroduzido durante o Lignia camada n (passo 5). A introdução de solução PDDA foi associado com uma ligeira diminuição em Af, e um aumento significativo no ΔD. No entanto, após a queda inicial, verificou-se um aumento gradual da Af seguido de um patamar. Após a lavagem com tampão (passo 6), a alteração líquida no Af e ΔD após a deposição de PDDA sobre a camada de lignina (Af = -31,6 Hz; ΔD = 1,3 x 10 -6) foi encontrado para ser um pouco menor do que a camada anterior (Af = -33,2 Hz; ΔD = 1,7 x 10 -6). Esta mudança é o resultado de uma forte interacção entre a lenhina e PDDA 56,57, o que pode ter causado a dessorção parcial de lignina fracamente ligado depositado na etapa 3 (nota na secção AFM abaixo, a lignina permanece no sistema). Na etapa 7, a suspensão de NC foi introduzido na camada PDDA resultando num aumento em Af e uma diminuição correspondente na ΔD. Esta alteração foi encontrado para ser irreversível, após o passo de lavagem (passo 8), sugerindo que a NC tenha sido irreversibly depositado em PDDA. No presente estudo apenas quatro ciclos de deposição (8 bicamadas, 4 ciclos) foram realizados, pois o Af e ΔD mudança além deste número de ciclos não foi encontrado para ser reprodutível. Figura 2 mostra a variação normalizada em Af e ΔD do 7 º harmônico como um resultado da absorção sequencial de polímeros PDDA, HMWL e NC após quatro ciclos de deposição. Deve notar-se que a adsorção dos polímeros não seguiu uma variação linear no Af e ΔD com a adição de cada camada dupla, que também foi observado com outros sistemas LBL 49,58. A adsorção LBL de NC, PDDA e OL (NC-PDDA-OL), mostrado na Figura 3, verificou-se seguir o processo de adsorção sequencial observada com NC-PDDA-HMWL. No entanto, os sistemas foram encontradas diferenças no que concerne à quantidade exacta de polímeros depositadas em cada camada. A diferença entre estes dois sistemas é devido ao tipo de lignina utilizados, como o gato polímero iónico e NC utilizados foram os mesmos em ambos os sistemas.
Figura 1. Descrição das etapas envolvidas no 1 º ciclo de deposição de LBL adsorção de NC-PDDA-HMWL. A figura mostra a variação normalizada em Af e ΔD da 7 ª harmônica.
Figura 2. Frequência e resposta dissipação da sétima harmónica como resultado da adsorção da LBL-NC-PDDA HMWL em 4 ciclos de deposição (8) bicamadas.
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Figura 3. Frequência e resposta dissipação da sétima harmónica como resultado da adsorção LBL de NF-PDDA-OL em 4 ciclos de deposição (8) bicamadas.
Imaging Film Build-up com Microscopia de Força Atômica
Imagens AFM revela uma cobertura completa da superfície com a lignina no primeiro bicamada PDDA de lignina para ambos HMWL e OL (Figura 4). Os valores de rugosidade RMS para HMWL e OL foram de 1,6 e 3,8 nm, respectivamente. Imagens de AFM da primeira bicamada PDDA-NC mostrou que a superfície não foi completamente coberto com fibrilas NC, e revelou fibrilas NC espalhados nas imagens mm 2,5 x 2,5 (Figura 5a, RMS rugosidade de 1,6 nm). No entanto, como a camada de acumulação continuada, mais uniformidade foi encontrada para as fibrilas depositadas, como pode ser visto na Figura 5b (RMS rugosidade de 5,3 nm). Resultados semelhantes quere visto com dados QCM-D, tal como Af para NC mudado maior em magnitude ao número de ciclos mais elevadas. A massa adsorvida estimado usando o modelo de Johannsmanns para os ciclos 1 e 4 de camada NC no sistema NC-PDDA-HMWL foi de 1,11 ± 0,13 mg / m 2 e 5,44 ± 1,78 mg / m 2, respectivamente. Uma tendência semelhante foi também observada com o sistema de NF-PDDA-OL com uma massa NC estimada de 1,15 ± 0,09 e 5,46 ± 1,79 mg / m 2 para os ciclos 1 e 4, respectivamente. Estas estimativas sugerem que a massa da camada hidratada NF depositado no ciclo de deposição de 4 é 4x maior do que a do primeiro ciclo de deposição. O aumento de massa associada com NC adsorção também pode ser atribuída à água arrastada na estrutura porosa criado pelas fibras. Foi notificado um aumento na quantidade de água aprisionada, com o aumento da espessura da camada de sistemas envolvendo MFC multicamadas 48,59. AFM imagens mostram, adicionalmente, a lignina adsorvido ao longo da coate PDDAd fibrilas depois do passo de deposição de lignina, como se vê nas imagens depois de três ciclos (Figuras 6a e b).
. Figura 4 a) Amplitude de imagens AFM PDDA de mica (5 x 5 mm), b) MWL em PDDA (2,5 x 2,5 mm), e c) OL em PDDA (2,5 x 2,5 mm).
Figura 5. Imagens Altura de NC em PDDA após o primeiro (a) e 3 (b) ciclo de deposição (2,5 x 2,5 mm).
Figura 6. Uma) Amplitude e b) as imagens da altura de HMWL após o ciclo de deposição de 4 (2,5 x 2,5 mm). As imagens mostram partículas depositadas em lignina das fibrilas de NC a partir do ciclo de deposição 3.
Free-standing LBL Films
Filmes LBL free-standing foram criados após 250 ciclos de deposição com cada ciclo de incorporação de dois PDDA, uma lignina, e uma camada nanocellulose. Os filmes foram isolados após o substrato de acetato de celulose foi dissolvida em acetona (Figura 7). Observação inicial do filme é que era translúcida e flexível. Estas duas propriedades estão raramente associada a compostos à base de lenhina que contêm uma carga significativa de lignina. Filme amostras foram mergulhados em nitrogênio líquido por 2 min uma d aplicando uma força de dobragem com um segundo conjunto de pinças rompido as amostras. SEM das secções transversais crio-fraturada de filmes LBL exibe uma estrutura lamelar (Figuras 8a e b). A espessura de ambas NC-PDDA-HMWL e NC-PDDA-OL foram encontrados como sendo de aproximadamente de 4,3 mM, o que implica uma espessura média de cerca de 17 nm, por ciclo de deposição. Os dados SEM indica uma espessura significativamente maior em comparação com as estimativas QCM-D. No entanto, as medições QCM-D foram realizadas apenas para 4 ciclos de deposição (alcançando os limites do instrumento, devido à superfície de viscoelástico). A partir dos resultados QCM-D, verificou-se que a camada de acumulação não foi linear para os quatro ciclos de deposição estudados. Portanto os dados sugerem que requer mais de 4 ciclos de deposição para o aumento da espessura por ciclo de planalto.
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Figura 7. Um filme free-standing de NC-PDDA-HMWL obtido após 250 ciclos de deposição. Os filmes free-standing foram obtidos após a dissolução do substrato acetato de celulose em acetona.
Figura 8. MEV mostrando estrutura lamelar das secções transversais de filmes LBL crio-fraturada após 250 ciclos de deposição. Os filmes de pé livre de a) NC-PDDA-HMWL e b) NC-PPDA-OL foram obtidos após o acetato de celulose substrato foi dissolvido em acetona. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Fabricação de nanocellulose
Para a fabricação nanocellulose é necessária a oxidação com êxito da fibra da polpa para fácil atrial. A oxidação é controlado por hipoclorito de sódio disponível, que deve ser adicionado lentamente em quantidades conhecidas com base na quantidade de celulose. Uma razão para a oxidação limitada surge a partir da armazenagem da solução de hipoclorito de sódio durante períodos prolongados. Isso reduziu a eficiência de oxidação pode ser observado durante a reação; a pasta de celulose deve virar uma cor pálida-amarelada, a meio da reação durante a oxidação de sucesso. Se isto não ocorrer, o teor de ácido carboxílico com a fibra é normalmente abaixo dos níveis que permitam fácil atrial.
A fibrilação da fibra oxidado com teor de ácido carboxílico acima de 1,0 mmol / g de celulose pode ocorrer por uma série de diferentes métodos de tratamento mecânico que produzam resultados semelhantes em nanocellulose tamanho de partícula. Ultrasonicaticom um chifre de alta potência sonicação por curtos períodos de tempo ou homogeneização com uma célula microfluídica são alternativas para misturar a fibra oxidada. O primeiro fornece uma rota para preparar lotes individuais de 200 ml de suspensões NFC ou menos, enquanto o segundo fornece uma rota para preparar litros de suspensões nanocellulose. Experiências anteriores usando microscopia de força atômica mostraram que estas fibras têm comprimentos de 530 ± 330 nm e uma espessura de 1,4 ± 0,7 nm 60.
QCM-D Viscoelastic Modeling
A massa e a espessura das camadas de polímero adsorvida pode ser determinada pela relação Sauerbrey. No entanto, o método só é válido se a camada depositada é rígida, e todo o sistema funciona como um ressonador compósito. Esta limitação pode ser verificada através da monitorização da dependência dos harmónicos (Af / n) de frequência. Figura 9 mostra que, com o aumento do número de camadas, as conotações movermais afastados, o que sugere que a medida que a espessura aumenta, a resposta das películas tendem a ser viscoelástico e menos rígida 48. Para obter uma película mais espessa ou viscoelástico, a natureza da propagação da onda acústica de corte para dentro e através da película afecta a estimativa da massa de acoplamento 61. Portanto, nesses casos, Af não é diretamente proporcional ao Dm. Além disso, é fundamental entender que a massa estimada com QCM-D podem incluir água acopladas devido à hidratação e arraste viscoso. A quantidade de água acoplado varia dependendo da natureza da película adsorvida, mas geralmente pode variar entre 1,5 a 4 vezes a massa molar do material adsorvido 61.
Figura 9. Resposta de freqüência dos harmônicos ímpares 5-11, como resultado daLBL adsorção de PDDA, HMWL, e CN, mostrando a dependência das harmónicas de frequência como o número de camadas aumenta.
O Johannsmann modelo pode ser usado para explicar a limitação do modelo Sauerbrey. Este modelo alternativo determina a verdadeira massa sentida de uma camada viscoelástica, tem sido utilizada para estudar as características de adsorção de diferentes sistemas, como os complexos de polielectrólitos em substratos de poliestireno 62, proteínas de substrato de ouro 63, e celulose microfibrilada em polielectrólitos 48,49. Figura 10 compara a massa de área estimada com o modelo Johannsmann depois de quatro ciclos de deposição para os sistemas NC-PDDA-HMWL e NC-PDDA-ol. Os valores da massa adsorvida por ciclo e que a massa de NC e lignina por ciclo estão indicados no Quadro 1 e 2, respectivamente. A partir da comparação, observa-se que a massa total adsorvido depois de quatro ciclos de adsorção é semelhante paratanto NC-PDDA-HMWL e NC-PDDA-ol (29,38 ± 2,57 e 31,78 ± 2,44 mg / m 2, respectivamente). A partir dos quatro ciclos de adsorção estudadas, a massa de lenhina adsorvido nos dois primeiros ciclos foi visto para ser diferente entre os dois sistemas. A massa de HMWL adsorvido em ciclos de adsorção de 1 e 2 foram quase o dobro da OL (Tabela 2). No entanto, a massa dos dois diferentes lenhinas adsorvido em ciclos 3 e 4 foram semelhantes. A massa de NC adsorvido em ambos os sistemas foi semelhante excepto para o ciclo 2, onde a massa de NC adsorvido em NC-PDDA-ol foi um pouco mais elevada do que NC-PDDA-HMWL. Esta diferença causada o início do ciclo de 3 para ter a mesma quantidade de massa total para os dois sistemas. Estes resultados sugerem que após os ciclos iniciais, há pouca diferença na montagem para o tipo de lignina nas películas compósitas. Estes dados sugerem que os filmes automontados de paredes modelo de planta pode ser criado a partir de ligninas de diferentes origens biológicas e / ou protocolos de isolamento. Atualmentenão existem quaisquer outros métodos que podem tornar modelo materiais da parede celular stand-alone com selecione ligninas de uma estrutura particular.
Figura 10. Massa Areal estimada com o modelo de Johannsmann para NC-PDDA-HMWL (■) e NC-PDDA-OL (●) após 4 ciclos de deposição.
| Ciclo # | Massa por ciclo (mg / m 2) | Massa acumulada (mg / m 2) | ||
| NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | |
| 1 | 6,72 ± 0,80 | 5,51 ± 0,63 | 6,72 ± 0,79 | 5.51 ± 0,63 |
| 2 | 5,03 ± 0,22 | 5,82 ± 0,50 | 11,76 ± 0,77 | 11,33 ± 0,45 |
| 3 | 7,37 ± 0,37 | 7,52 ± 0,66 | 19,14 ± 0,98 | 19,52 ± 0,73 |
| 4 | 10,23 ± 1,97 | 12,92 ± 1,93 | 29,38 ± 2,57 | 31,78 ± 2,44 |
Tabela 1. Massa Areal estimado a partir de dados QCM-D usando o modelo de Johannsmann por 4 ciclos de deposição.
| Ciclo # | A lenhina (mg / m 2) | Nanocellulose (mg / m 2) | ||
| NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | NC-PDDA-HMWL | NC-PDDA-OL | 3,16 ± 0,26 | 1,56 ± 0,57 | 1,11 ± 0,13 | 1,15 ± 0,09 |
| 2 | 2,91 ± 0,32 | 1,30 ± 0,13 | 2,08 ± 0,36 | 3,18 ± 0,66 |
| 3 | 3,31 ± 0,39 | 3,77 ± 0,14 | 4,00 ± 0,38 | 3,22 ± 1,51 |
| 4 | 4,72 ± 0,64 | 4,22 ± 1,34 | 5,44 ± 1,78 | 5,46 ± 1,79 |
Tabela 2. Areal estimativa da massa de lignina e NC usando o modelo de Johannsmann por 4 ciclos de deposição.
Uma comparação entre os dados modelados após quatro ciclos de deposição de NF-PDDA-HMWL e NC-PDDA-OL (figura 11 e tabela 3) revela tendências similares observadas com Johannsmann ', S modelo. O primeiro é a tendência de similaridade das espessuras finais entre as películas com dois tipos de lenhina de um determinado limite de densidade de película. As espessuras finais, após quatro ciclos de deposição de NF-PDDA-HMWL e NC-PDDA-OL com uma densidade assumido de 1.000 kg / m 2 foram de 31,5 ± 3,5 e 30,4 ± 5,1 nm, respectivamente (Figura 12). As espessuras finais para o mesmo, com uma densidade de 1.400 assumiu kg / m 2, foram 23,4 ± 2,8 e 22,1 ± 3,1 nm, respectivamente. A segunda tendência é revelada no início do terceiro ciclo, onde a variação na espessura é a mesma para as duas ligninas, como encontrado para a estimativa da massa. A espessura da camada de PDDA não foi avaliado devido a alterações insignificantes ou negativos na espessura após a adsorção de PDDA. No entanto, observou-se que a camada sequencial significativa acumulação não é possível sem a adsorção de PDDA após a adsorção de NC ou lignina (dados não mostrados). Este resultado indicates que a adsorção da camada de ligação é um passo crítico na sequência de adsorção.
. Figura 11 Espessura estimada com o modelo de Voigt (negro), em comparação com a espessura estimada com a equação Sauerbrey (7a harmónica; cinzento). A densidade do filme foi assumido como sendo 1.000 kg / m 2.
Figura 12. Comparação da espessura estimada com o modelo de Voigt para NC-PDDA-HMWL (■) e NC-PDDA-OL (●) após 4 ciclos de deposição com uma densidade assumida de 1.000 kg / m 2.
Tabela 3. Os valores de espessura de elipsometria do primeiro ciclo de deposição deu uma estimativa aproximada à espessura modelo Voigt, com uma densidade assumido de 1.000 kg / m 2. O valor da espessura de elipsometria do primeiro ciclo é quase 2 a 3 vezes maior do que cada um dos ciclos 2-4. Este fenómeno está relacionado com as diferenças na deposição PDDA no primeiro ciclo em relação aos outros ciclos. A partir dos experimentos QCM-D, a camada PDDA inicial sobre o ouro é encontrado para ser ~ 2 nm de espessura. No entanto, houve mudança insignificante ou negativo na massa / espessura quando PDDA foi introduzido ao longo do NC ou lignina. Resposta semelhante foi visto em um estudo anterior envolvendo LBL adsorção de kraft lignina e PDDA, onde um acúmulo linear da espessura do filme foi observada, embora não era insignificante PDDA adsorção 56. Quanto menorvalores de espessura de elipsometria do segundo através de ciclos de deposição 4 em comparação com o primeiro ciclo pode ser atribuída a uma alteração na conformação da camada PDDA quando depositados sobre o ouro. No entanto, a relativamente pequena de adsorção de PDDA em ciclos de 2-4 é suficiente para continuar o processo de montagem do LBL. Existe uma diferença significativa entre a elipsometria e espessura QCM-D nos terceiro e quarto ciclos, como a espessura Voigt estimada (com base numa densidade de 1.000 kg / m 2) foi encontrado para ser duas vezes maior que a espessura elipsometria para ambos NC- sistemas PDDA-HMWL e NC-PDDA-ol. Este resultado relativo aos dados QCM-D implica ainda um aumento da natureza viscoelástica das películas como a camada de produto de modelar. Sugere-se que as camadas mais superficiais são mais porosa em comparação com as camadas mais baixas que prendem a água presa adicional. Além disso, NC usado neste estudo é decorada com grupos carboxilo na posição C6 (teor de carboxilo de 1,0 mmol / g de celulose), o que faz com que o fibers mais hidrofílico. Grupos aniónicos que decoram o NC leva para a camada a ser hidratada e viscoso, portanto, o desvio a partir da relação Sauerbrey; a relação é aplicável somente para filmes finos e elásticos.
| Ciclo # | NC-PDDA-HMWL (nm) | NC-PDDA-OL (nm) | ||||
| Voigt | Voigt | Elipsometria | Voigt | Voigt | Elipsometria | |
| (1000 kg / m 2) | (1400 kg / m 2) | (1.000 kg / m 2) | (1.400 kg / m 2) | |||
| 1 | 7,2 ± 1,0 | 5,0 ± 0,4 | 7,5 ± 0,3 | 5,1 ± 1,0 | 4,0 ± 0,5 | 6,1 ± 0,1 |
| 2 | 12,0 ± 1,1 | 8,8 ± 10,0 | 10,4 ± 0,6 | 11,0 ± 1,3 | 8,0 ± 0,7 | 8,1 ± 0,3 |
| 3 | 20,5 ± 1,5 | 14,4 ± 1,1 | 12,0 ± 0,3 | 19,0 ± 2,3 | 13,2 ± 1,3 | 11,7 ± 0,1 |
| 4 | 31,5 ± 3,5 | 23,4 ± 2,8 | 14,5 ± 0,3 | 30,4 ± 5,1 | 22,1 ± 3,1 | 13,8 ± 0,5 |
Espessura da Tabela 3. Cumulativa após cada ciclo de adsorção estimada pelo modelo Voigt, com densidades assumidas de 1000 e 1400 kg / m 3, e espessura estimada por elipsometria por 4 ciclos de deposição.
Para investigar a eficácia da espessura de filme seco estimado por elipsometria, um teste de arranhão AFM foi realizada em ambos NC-PDDA-HMWL e NC-PDDA-OL após quatrociclos de deposição em uma lâmina de silício. O perfil de altura a partir do teste do zero deu uma espessura média de 15,1 ± 0,9 nm e 17,3 ± 3,0 nm, respectivamente, para NC-PDDA-HMWL e NC-PDDA-OL, respectivamente. Estes valores são semelhantes em magnitude aos medida por elipsometria (Tabela 3). Elipsometria resultou em menor (medições ópticas, a seco), seguido por AFM (perfil de altura, a seco), e QCM-D (massa sentida, estimada a partir do estado hidratado).
Diferenças de lignina
Os dois tipos de lignina utilizados neste estudo foram lignina organossolve (OL; Sigma Aldrich, Inc) e madeira moída lignina da madeira previamente isolados em nossos laboratórios e, recentemente, caracterizado para este estudo (HMWL) 64. A análise de GPC de amostras acetiladas da HMWL OL e mostraram um valor de Mn de 5300 e 1300 g / mol, respectivamente. A fracção de aromáticos: acetato de hidrogénio alifático determinada a partir da análise de 1H RMN das amostras de lignina acetilados nósestá encontrado para ser 1.16:1 e 0.26:1, respectivamente, para OL e HMWL. Assim, OL foi encontrada para ter um conteúdo fenólico significativamente mais elevada, o que representaria um maior número de grupos ionizáveis fenólicos a um pH elevado. O número de acidez total de dois a lignina determinada por titulações condutométricas era 0,41 ± 0,02 e 0,34 ± 0,03 mmol / g, respectivamente, para OL e HMWL. O número de acidez determinado por titulação conductométrica representa a contribuição de ambos os compostos fenólicos e o teor carboxílico presente em lignina. Daí a lignina carregada ligeiramente maior, que tem um peso molecular mais baixo, forma uma espessura ligeiramente menor na mudança de frequência inicial. A diferença na deposição é geralmente notável por polieletrólito adsorção em superfícies carregadas como carga segmento e mudança MW 65. Nos dois primeiros ciclos de deposição, a lenhina organosolv tem uma metade de massa de área do valor para a lenhina-madeira moída. Esta tendência também é observada com as medi elipsometriaurements, como a espessura de NF-PDDA-OL no primeiro e segundo ciclo é inferior a NF-PDDA-HMWL. No entanto, este estudo mostra que não há alteração mínima nos terceiro e quarto ciclos, bem como 250x quando o processo é repetido. O grande número de ciclos de engrandecê pequenas diferenças na adsorção. Os dados sugerem que a lignina com estrutura díspares não afeta muito a fabricação de filmes free-standing. Assim, tanto ligninas técnicos, disponíveis a partir da conversão de biomassa em papel, combustíveis e produtos químicos, ou ligninas modelo cuidadosamente isoladas pode ser usado para formar filmes free-standing com nanocellulose. Este fato é significativo, onde ligninas de diferentes origens podem ser selecionados cuidadosamente para tornar as superfícies da parede celular modelo.
Os trabalhos futuros deverão integrar hidroxila ricas camadas vinculador (sintéticos, tais como álcool polivinílico ou de base biológica como hemiceluloses) para substituir ou aumentar a camada de ligação PDDA usado no estudo atual para obter um nanocompósito estruturadofilme que representa mais de perto o compósito da parede celular da madeira. A integração de microfibrilas de celulose e lignina através 17 nm, está dentro do alcance das estruturas de paredes de células nativas e fornece um novo material modelo para servir como uma parede de célula de madeira artificial.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado principalmente pelo programa do Instituto de Crítica de Tecnologia e Ciências Aplicadas (ICTAS) na Universidade Virginia Tech, a tecnologia Graduate School Virginia do Doutorado Acadêmico para apoiar o programa de Nanotecnologia Sustentável, e também os Estados Unidos Departamento de Agricultura, NIFA número de concessão 2010-65504-20429. Os autores também agradecer as contribuições de Rick Caudill, Stephen McCartney, e W. Travis Igreja para este trabalho.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sulfate pulp | Weyerhaeuser | donated | brightness level of 88% |
| Organosolv lignin | Sigma Aldrich | 371017 | discontinued |
| Hardwood milled wood lignin | see reference in paper | ||
| Polydiallyldimethylammonium chloride | Sigma Aldrich | 409022 | Mn = 7.2 x 104, Mw = 2.4 x 105 |
| 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) | Sigma Aldrich | 214000 | catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25 g/mol |
| Sodium bromide | Sigma Aldrich | S4547 | purity ≥99.0%, molecular weight 102.89 |
| Sodium hypochlorite | Sigma Aldrich | 425044 | reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44 g/mol |
| Sodium hydroxide | VWR | BDH7221-4 | 0.5 N aqueous solution, density 1.02 g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| Sodium hydroxide | Acros Organics | AC12419-0010 | 0.1 N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol |
| Ammonium hydroxide | Acros Organics | AC39003-0025 | 25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol |
| Hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H325-100 | 30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11 |
| Mica sheets | TED Pella | NC9655733 | Pelco, grade V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, minimum air and bubbles, very clean |
| Sulfuric acid | Fisher Scientific | A300-212 | 95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol |
| Cellulose acetate | McMaster Carr | 8564K44 | degree of substitution 2.5 |
| Ethanol | Decon Laboratories | 04-355-223 | 200 proof (100%), USP |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-4 | purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | 552226 | pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 μl/hr~55.1 ml/min |
| Mill-Q water purification system | EMD Millipore | D3-UV | Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ·cm with 20 L reservoir |
| pH meter | Mettler Toledo | SeverMulti | |
| Balance | Mettler Toledo | AB135-S | accuracy 0.1 mg |
| Atomic force microscope | Asylum Research | MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage | |
| Ellipsometer | Beaglehole Instruments | ||
| Fiber centrifuge | unknown | basket style centrifuge | |
| Waring blender | Waring | Commercial | |
| Ultrasonic processor | Sonics | Sonics 750 W, sound enclosure | |
| Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) | Q-Sense Inc. | E4 | measure fundamental frequency of 5 MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals |
| Automatted dipper arm | Lynxmotion |
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