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Chemistry

Vers Biomimicking Bois: Films Fabrication libre-debout de nanocellulose, lignine, et un polycation synthétique

Published: June 17, 2014 doi: 10.3791/51257

Summary

L'objectif de cette recherche était de former des tissus de la paroi cellulaire végétale synthétique utilisant assemblage couche par couche de fibrilles de nanocellulose et lignine isolé assemblé à partir de suspensions aqueuses diluées. les techniques de mesure de surface de microbalance à cristal de quartz et la microscopie à force atomique ont été utilisés pour contrôler la formation du matériau nanocomposite polymère-polymère.

Abstract

Matières ligneuses se composent de parois de cellules végétales qui contiennent une paroi cellulaire secondaire en couches composée de polymères de polysaccharides de structure et de la lignine. Couche-par-couche (LBL) processus d'assemblage qui repose sur l'assemblage de molécules de charge opposée à partir de solutions aqueuses a été utilisé pour construire un film composite autonome de polymères isolées de bois de la lignine et de cellulose oxydée nanofibrilles (NFC). Pour faciliter le montage de ces polymères chargés négativement, un polyélectrolyte chargé positivement, le poly (chlorure de diallyldimethylammomium) (PDDA), a été utilisé comme une couche de liaison pour créer cette paroi cellulaire simplifié du modèle. Le procédé d'adsorption en couches a été étudiée quantitativement en utilisant une microbalance à cristal de quartz avec une surveillance de dissipation (QCM-D) et l'ellipsométrie. Les résultats ont montré que la couche de masse / épaisseur par couche adsorbée augmente en fonction du nombre total de couches. La couverture de la surface des couches adsorbées a été étudiée avec la microscopie à force atomique (AFM).Une couverture complète de la surface avec de la lignine dans tous les cycles de dépôt n'a été trouvée pour le système, cependant, la couverture de surface par NFC augmente avec le nombre de couches. Le processus d'adsorption a été réalisée pendant 250 cycles (500) bicouches sur un acétate de cellulose (CA) de substrat. Transparent LBL assemblé films nanocomposites autonomes ont été obtenus lorsque le substrat de CA a été plus tard dissous dans l'acétone. La microscopie électronique à balayage (MEB) des sections fracturées a montré une structure lamellaire, et l'épaisseur de chaque cycle d'adsorption (PDDA-lignine-PDDA-NC) a été estimée à 17 nm pour les deux types de lignine différents utilisés dans l'étude. Les données indiquent un film avec une architecture hautement contrôlé où nanocellulose et de la lignine sont déposés dans l'espace à l'échelle nanométrique (un des nanocomposites polymère-polymère), similaire à ce qui est observé dans la paroi de la cellule native.

Introduction

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Il ya un grand intérêt à tirer des produits chimiques et des carburants supplémentaires à partir de biomasse, le carbone séquestré par les plantes lors de la photosynthèse est le cadre du cycle actuel de CO 2. La majorité de carbone séquestré (42-44%) est sous la forme de cellulose, un polymère composé de motifs glucopyranose β 1-4-liés; lorsqu'il est hydrolyse, le glucose peut être utilisé comme réactif pour la fermentation primaire dans les carburants à base d'alcool. Cependant, l'architecture de la paroi cellulaire des plantes ligneuses a évolué depuis des millénaires créant un matériau qui est résistant à la dégradation dans l'environnement naturel 1. Cette stabilité se reporte sur la transformation industrielle des matières ligneuses telles que les cultures énergétiques faisant cellulose difficiles d'accès, d'isoler et répartition en glucose. Un examen plus approfondi de l'ultrastructure de la paroi cellulaire secondaire révèle qu'il s'agit d'un nanocomposite polymère, composé de couches de microfibrilles de cellulose paracristalline noyées dans une matrice amorphe de la lignine et de l'ourleticelluloses 2-4. Les microfibrilles de cellulose orientées longitudinalement ont un diamètre d'environ 2-5 nm, qui sont agrégées avec d'autres hétéro-polysaccharides pour former des unités plus grandes de faisceaux de fibrilles 5. Les faisceaux de fibrilles sont noyés dans un complexe lignine-hémicellulose composée d'un polymère amorphe d'unités de phénylpropanol avec certains liens avec d'autres hétéro-polysaccharides tels que glucoronoxylan 4. De plus, cette structure est en outre organisé en couches, ou des lamelles, tout au long de la paroi cellulaire secondaire lignifiée 6-8. Des enzymes, des cellulases, comme ont beaucoup de mal à accéder cellulose dans la paroi cellulaire car il se trouve dans sa forme de fibrilles et intégré dans la lignine. Le point crucial de vraiment rendre les combustibles d'origine biologique et des plateformes de produits chimiques renouvelables une réalité est de développer des procédés qui permettent économiquement la saccharification de la cellulose dans sa forme native.

Les nouvelles technologies chimiques et d'imagerie sont complices dans la mudy des mécanismes impliqués dans la saccharification de la cellulose 9,10. De nombreux travaux ont porté sur Raman confocale d'imagerie 11 et 12 microscopie à force atomique pour étudier la composition chimique de la paroi cellulaire et de la morphologie. Être en mesure de suivre de près les mécanismes de délignification et de saccharification est un important pas en avant, un impact sur la conversion de la cellulose en glucose. Saccharification du modèle surfaces de cellulose a été analysée en mesurant les taux cinétiques enzymatiques avec une microbalance à cristal de quartz avec une surveillance de dissipation (QCM-D) 13. Cependant, les parois des cellules natives sont très complexes, comme indiqué ci-dessus, ce qui crée une ambiguïté de la façon dont différents procédés de conversion modifient la structure de la paroi cellulaire végétale (de poids moléculaire du polymère, des liaisons chimiques, la porosité). Modèles monoblocs des substances de la paroi cellulaire de composition structurelle connue serait répondre à cette préoccupation et permettre l'intégration des échantillons dans chimiques et imagination état de l'artéquipement de ng.

Il existe un manque de modèles de la paroi cellulaire et les rares disponibles peuvent être classés comme des mélanges de matériaux polymères et de la cellulose ou de la cellulose bactérienne 14, des composites polymérisés par voie enzymatique de la lignine-polysaccharide, 15 à 17 ou des surfaces modèles 18-21 régénéré. Certains modèles qui commencent à ressembler à la paroi cellulaire sont les échantillons qui contiennent des précurseurs ou des analogues polymérisés par voie enzymatique en présence de cellulose dans sa forme microfibrillaire lignine. Cependant, ces matériaux souffrent d'un manque de l'architecture de la couche organisé. Un moyen simple pour la création de matériaux nanocomposites à l'architecture organisée est le (LBL) technique couche par couche de l'assemblage, sur la base de l'adsorption séquentielle des polymères ou des nanoparticules avec des charges complémentaires ou des groupes fonctionnels pour former organisés films composites multicouches de 22 à 25. Autoportants nanocomposites hybrides de haute résistance, faites par LbL dépôt de polymère et nanoparticles, ont été rapportés par Kotov et al. 26-30. Parmi de nombreuses autres applications, films LbL ont également été étudiés pour leur utilisation potentielle dans la livraison thérapeutique 31, les membranes de piles à combustible 32,33, 34 batteries, et lignocellulosique surface de la fibre modification 35-37. Matériaux composites L'intérêt récent dans l'échelle nanométrique à base de cellulose ont conduit à la préparation et la caractérisation de multicouches LbL de nanocristaux de cellulose (CNC) préparés par hydrolyse à l'acide sulfurique de fibres de cellulose, et des polyélectrolytes chargés positivement 38-43. Des études similaires ont également été menées avec des nanocristaux de cellulose issues de tunicin marine et polyélectrolytes cationiques 44, CNC et xyloglucan 45 et CNC et le chitosane 46. LbL formation multicouche de celluloses carboxylées nanofibrillated (SNF), obtenus par homogénéisation à haute pression des fibres de pâte avec des polyélectrolytes cationiques est égalementétudié 47-49. La préparation, les propriétés, et l'application de CNC et de la cellulose nanofibrillated ont été examinés en détail 50-53.

La présente étude porte sur l'examen de la technique couche par couche comme un moyen potentiel pour assembler des polymères lignocellulosiques isolés (comme la nanocellulose et lignine) de façon ordonnée comme la première étape vers un composite lignocellulosique biomimétique à structure lamellaire. La technique par couche a été choisi pour ses conditions de traitement bénignes telles que, température ambiante, pression, et de l'eau en tant que solvant, qui sont des conditions de formation composite naturel 54. Dans cette étude, nous rapportons sur le multicouche accumulation de composants de bois constitutifs, à savoir la cellulose microfibrilles de la tétraméthylpipéridine 1-oxyle (TEMPO) de l'oxydation médiée par de la pâte et de la lignine isolée dans les films lamellaires autonomes. Deux lignines différentes sont utilisées de différentes techniques d'extraction, l'un lignine technique de l'organosolv processus de mise en pâte, et l'autre une lignine isolée de broyage à boulets avec moins de modification lors de l'isolement. Ces composés sont combinés avec un polyélectrolyte synthétique dans cette première étude à démontrer la faisabilité de faire des films autoportants stables avec une architecture similaire à la paroi cellulaire d'origine.

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Protocol

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Une. Nanofibrillated Cellulose préparation 55

  1. Configuration d'un ballon de 3 litres à trois tubulures, avec 2 L d'eau désionisée, d'un agitateur suspendu, et la sonde de pH.
  2. Ajouter la pâte kraft délignifiée, 88% de luminosité (20 g, 1% (p / v, par rapport au poids sec)), la 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine 1-oxyle (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g de cellulose) et le bromure de sodium (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g de cellulose) dans le ballon.
    1. Mélanger les fibres de pâte avec un agitateur suspendu jusqu'à ce que la fibre est dispersée et aucun agrégat ne peut être vu dans la réaction.
      Remarque: La dispersion peut être facilitée en mélangeant la bouillie dans de l'eau avant l'addition de la pulpe à l'ballon de 3 litres.
  3. Initier l'oxydation par addition lente d'une solution à 12% d'hypochlorite de sodium (NaClO, 51,4 ml, 5 mmoles par g de cellulose) au mélange réactionnel.
    Remarque: Par souci de cohérence tout au long de la réaction, utiliser une pompe à seringue pour délivrer le NaClO avec un taux de 1,5 ml / min d'injection.
  4. Remplir une deuxième seringue wie hydroxyde de sodium (NaOH, 0,5 M) et du compteur manuellement la solution alcaline dans le flacon goutte à goutte pour maintenir le pH à 10 ± 0,2.
  5. Surveiller l'évolution du pH en fonction du temps et une fois que tous les groupes hydroxyles accessibles sur la cellulose sont oxydés, le pH n'est plus à diminuer, et la réaction est terminée.
  6. Ajouter excès EtOH à consommer restant NaClO. Environ 6 200 ml de EtOH preuve consommeront tout 100 mmol du NaClO originale.
  7. Filtrer et laver la fibre oxydée avec de l'eau purifiée pour éliminer les réactifs jusqu'à pH est neutre. Utilisez une centrifugeuse à panier ou un dispositif de filtration comme un entonnoir Büchner pour récupérer la fibre. Stocker la fibre à 4 ° C jusqu'à utilisation ultérieure.
    Remarque: Lors de la fin de l'expérience, la fibre doit avoir une teneur en acide carboxylique, tel que déterminé par titrage conductimétrique, entre 1,0 et 1,5 mmol par gramme de fibres. Il devrait y avoir peu de différence dans l'apparence de la fibre après l'oxydation TEMPO.
  8. Créer un 3% (p / v, par rapport au poids sec) de la suspension de pâte de TEMPO oxydé et mélanger dans un mélangeur jusqu'à ce que la bouillie Warring devient visqueuse et les lames commencent à tourner dans l'air à cause de la gélification de la suspension.
    Remarque: Des concentrations plus faibles ne fonctionnent pas aussi efficacement à la fibrillation cellulose.
    1. Diluer la suspension mélangée à 0,1% (p / v) et le mélange continuera jusqu'à ce que la suspension devienne transparent.

2. Dépôt couche par couche de film pour les expériences QCM-D

  1. Préparer les solutions aqueuses suivantes et ajuster chaque solution avec NaOH 0,1 M à un pH de 10,5: solution tampon aqueuse (eau et NaOH); 0,5% (p / v) de solution aqueuse de chlorure de diallyldiméthylammonium (PDDA); et 0,01% (p / v) de la lignine. Ajuster le pH de la suspension NFC à 0,1% et 8,0.
    Remarque: Le pH de ces expériences a été élevé, car il a déjà été démontré que la lignine absorbe dans un état ​​moins agrégé en pH alcalin 56.
  2. Propreun cristal de quartz revêtu d'or suivant les recommandations du fabricant en utilisant une solution de piranha de base [ATTENTION] (3:1 concentrée de NH 4 OH: H 2 O 2 à 60 ° C) pendant 10 min.
    1. Rincer les cristaux avec de l'eau purifiée, brushing dans un courant de N2, et insérer immédiatement dans la cellule d'écoulement à microbalance à cristal de quartz afin d'éviter la contamination de l'air.
  3. Passer le tampon à travers la cellule d'écoulement pour obtenir une réponse de base du cristal résonnant est exposé à du liquide.
    1. Déposer une couche de PDDA sur le cristal de quartz par exposition du cristal de quartz pour la solution PDDA pendant 5 min.
    2. Après 5 min revenir à la solution tampon.
      Remarque: Ce processus à l'étape 2.3 crée une réponse à une seule couche, où la quantité de polymère déposée peut être déterminée sans l'effet de la viscosité de la solution de polymère.
    3. Répéter l'adsorption des autres polymères dans l'ordre suivant avec un tampon de rinse entre chaque étape: PDDA (+) (étape 2.3.1); lignine (-); PDDA (+); et NFC (-). Répétez les 4x cycle de déposer 16 couches au total de polymères et de nanoparticules.

3. Couche par couche des dépôts de film pour l'AFM et ellipsométrie expériences

  1. Coller un disque circulaire de mica sur une lame de microscope en verre à l'aide d'une colle époxy rapide. Après l'adhésif durcit, attachez un morceau de ruban adhésif sur le disque de mica. Peler la bande loin causant la surface de mica pour cliver.
    1. Nettoyer une plaquette de silicium avec piranha acide [ATTENTION] (03:01 H 2 SO 4: H 2 O 2) pendant 20 min suivi d'un rinçage importante dans l'eau avant de la couche de dépôt.
  2. Avec les solutions préparées à 2,1, soit plonger le mica fraîchement clivé qui est attachée à une lame de verre ou une plaquette de silicium fraîchement nettoyées dans chaque solution en suivant la même séquence de protocole décrit dans 2.3.3.
    Remarque: Cette technique permettra de créer des couches de polymers sur chacune de ces surfaces qui peuvent être insérés dans l'AFM ou ellipsomètre, respectivement.
  3. Image Les couches déposées avec un microscope à force atomique. Utilisez le mode et consoles de contact intermittent avec 10 conseils rayon de silicium nm (printemps constante 42 N / m) lors de la collecte des images de l'échantillon. Régler la taille de balayage de 2,5 x 2,5 um, point de scrutation en 512 et gain intégral de 10 pour recueillir des images d'échantillons spécifiques.
  4. Pour la mesure d'épaisseur des couches avec AFM des films LbL secs, utilisez une pointe de pipette en plastique souple et cicatrice une ligne à travers la surface des films de LbL préparés sur la surface de mica.
  5. films LBL de dépôt pour la mesure d'ellipsométrie sur des plaquettes de silicium. Mesurer l'épaisseur de la pellicule sèche avec un ellipsomètre à modulation de phase à une longueur d'onde de 632,8 nm, en utilisant l'angle multiple de mode de fréquence. Varier les angles entre 85 ° et 65 ° à 1 °.

4. Préparation de libre-debout LBL Film

  1. Couper un25,4 x 7,6 mm rectangle d'acétate de cellulose (CA) film (DS 2,5) qui est de 0,13 mm d'épaisseur et le joindre à bras de pelle automatisé.
    Remarque: l'acétate de cellulose de DS 3.0 n'est pas soluble dans l'acétone afin DS 2.5 est préférable de récupérer les films en couches.
  2. Remplir chaque bécher de 500 ml avec des solutions de PDDA, la lignine, et nanocellulose selon la concentration et le pH dans l'étape 2.1.
    1. Remplir trois béchers supplémentaires avec un tampon aqueux à utiliser comme solution de rinçage pour chaque cycle de dépôt.
    2. Programmer le bras de pelle de procéder dans la même séquence comme indiqué au paragraphe 2.3.3.
      Remarque: il est important d'utiliser une autre solution de rinçage après chaque solution de polymère respectif à cause dans le processus couche par couche, un peu de polymère qui n'est pas étroitement lié à la surface se désorber. La contamination croisée des solutions de rinçage provoque rapidement la précipitation des complexes de polyélectrolytes, qui peuvent adsorber comme «défauts» à la surface du film.
  3. Changer les solutions dans lebécher pendant 250 cycles périodiquement car ils commencent à apparaître nuageux cause de complexes colloïdaux. Une option est d'automatiser le renouvellement de la solution en utilisant une pompe péristaltique pour offrir une solution fraîche ou un tampon de chlorure de polyvinyle (PVC) des récipients faits sur mesure avec des entrées et des sorties.
    Remarque: les solutions agitées dans les conteneurs aider à améliorer la diffusion des polyélectrolytes à la surface.
  4. Couper soigneusement les bords de l'échantillon séché avec des ciseaux exposant le bord CA et la placer dans un boîte de Pétri en verre couverte rempli avec de l'acétone pour dissoudre le CA.
    Remarque: deux films sont isolés après cette expérience à partir de la face avant et face arrière de l'autorité de certification.
  5. Faire tremper films isolés dans de l'acétone pendant 24 heures et rincer à plusieurs reprises avec de l'acétone films de maximiser l'élimination de CA résiduelle.

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Representative Results

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QCM-D Analyse des structuré Fabrication Woody film polymère

L'adsorption LbL de la lignine, NFC et PDDA a été suivie en temps réel avec QCM-D dans deux expériences différentes impliquant deux types de lignines. Cette méthode d'analyse est très sensible pour détecter les changements dans la fréquence lorsque les molécules sont adsorbées à la surface du cristal de quartz La figure 1 contient une description détaillée de la réponse QCM-D dans un cycle de dépôt, ce qui implique deux bicouches (PDDa:. HMWL et PDDa: NC). Les données représentent la variation de la fréquence normalisée et de la dissipation de la 7e harmonique (l'instrument détecte la fréquence fondamentale et les harmoniques impairs 3-13). Une ligne de base a été obtenue à pH 10,5 d'eau milli-Q (nommé comme tampon), suivie de l'introduction du polymère cationique, PDDA. L'introduction de ce polymère (étape 1) est associée à une diminution de l'AF, et une augmentation correspondante de Dd. Cette réponse est attrited à une combinaison d'adsorption de PDDA sur le substrat de quartz revêtu d'or et de la variation dans les effets de vrac du liquide en contact avec le cristal vibrant. Etape 1 a été suivie par une étape de rinçage (étape 2) avec le tampon pour éliminer l'excès de polymère / non lié, et à annuler la fréquence et la réponse due à la dissipation des effets en vrac de la solution de polymère. Par conséquent, un rinçage est effectué après chaque étape d'adsorption du polymère. La variation nette des AF et Ad de la ligne de base après l'étape 2 est due à l'adsorption irréversible de PDDA. Dans l'étape 3, la solution de lignine a été introduit, ce qui a entraîné une diminution de la AF et une augmentation correspondante de Dd. L'étape 4, l'étape de rinçage a entraîné une légère augmentation de l'AF, cependant l'Ad est resté inchangé, ce qui suggère que la lignine est déposée en tant que couche sur la couche semi-rigide PDDA lorsqu'il est en contact avec un substrat de quartz revêtu d'or. Pour déposer la seconde bicouche, (PDDA: NC), la solution PDDA a été réintroduit sur le charbon végétaln couche (étape 5). L'introduction de la solution PDDA a été associée à une légère diminution de AF, et une augmentation significative de Dd. Cependant, après la baisse initiale, on observe une augmentation progressive de la AF suivie d'un plateau. Après le rinçage de la mémoire tampon (étape 6), le changement net de AF et Dd après la déposition de PDDA sur la couche de lignine (AF = -31,6 Hz, Ad = 1,3 x 10 -6) a été trouvée pour être légèrement inférieure à celle de la couche précédente (AF = -33,2 Hz; Ad = 1,7 x 10 -6). Ce changement est le résultat d'une interaction forte entre PDDA et lignine 56,57, ce qui peut avoir causé désorption partielle de la lignine faiblement lié déposée à l'étape 3 (note dans la section ci-dessous AFM, la lignine reste dans le système). A l'étape 7, la suspension a été introduite NC sur la couche PDDA résultant en une augmentation de l'AF et une diminution correspondante de Dd. Cette modification s'est révélée être irréversible après l'étape de rinçage (étape 8), ce qui suggère que NC a été IRREVERSIBLEly déposée sur PDDA. Dans l'étude actuelle que quatre cycles de dépôt (8 bicouches, 4 cycles) ont été réalisées, parce que le changement AF et Ad-delà de ce nombre de cycles a été jugé non reproductible. Figure 2 montre l'évolution normalisée en AF et Ad de la 7e harmonique à la suite de l'adsorption de polymères séquentiel PDDA, HMWL et NC, après quatre cycles de dépôt. Il convient de noter que l'adsorption des polymères n'a pas suivi d'un changement linéaire en AF et Ad avec l'addition de chaque bicouche, qui a également été constaté avec d'autres systèmes de LBL 49,58. L'adsorption LBL de NC, PDDA et OL (NC-PDDA-OL), illustré à la figure 3, a été trouvé à suivre le processus d'adsorption séquentielle observée avec NC-PDDA-HMWL. Néanmoins, les systèmes se sont révélés différer par rapport à la quantité exacte des polymères déposés dans chaque couche. La différence entre ces deux systèmes est dû au type de la lignine utilisée, comme le chat polymère ionique et NC utilisés étaient les mêmes dans les deux systèmes.

Figure 1
Figure 1. Description des étapes impliquées dans le 1er cycle de dépôt de LBL adsorption de NC-PDDA-HMWL. L'illustration montre le changement normalisé en AF et Ad de la 7e harmonique.

Figure 2
Figure 2. Fréquence et la réponse de dissipation de la 7e harmonique à la suite de l'adsorption de LBL NC-PDDA-HMWL en 4 cycles de dépôt (8) bicouches.

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Figure 3. Fréquence et la réponse de dissipation de la 7e harmonique à la suite de l'adsorption de LBL de NC-PDDA-OL en quatre cycles de dépôt (8) bicouches.

Film d'imagerie Build-up avec Microscopie à force atomique

Images AFM révèlent une couverture complète de la surface avec de la lignine dans la première bicouche PDDA-lignine pour les deux HMWL et OL (figure 4). Les valeurs de rugosité RMS pour HMWL et OL ont été de 1,6 et 3,8 nm, respectivement. images AFM de la première bicouche PDDA-NC ont montré que la surface n'a pas été entièrement recouvert de NC fibrilles, et révélé dispersés fibrilles NC dans les images de 2,5 x 2,5 mm (figure 5a, rugosité RMS de 1,6 nm). Cependant, comme la couche accumulation continue, une plus grande uniformité a été trouvée pour les fibrilles déposés, comme on le voit sur ​​la figure 5b (RMS rugosité de 5,3 nm). Des résultats similaires nousre vu des données QCM-D, comme AF pour NC changé de plus grande ampleur au nombre de cycles supérieurs. La masse adsorbée estimée en utilisant le modèle de Johannsmanns pour les cycles 1 et 4 NC couche dans le système NC-PDDA-HMWL était de 1,11 ± 0,13 mg / m 2 et 5,44 ± 1,78 mg / m 2, respectivement. Une tendance similaire a également été observée avec le système NC-PDDA-OL avec une masse NC estimatif de 1,15 ± 0,09 et 5,46 ± 1,79 mg / m 2 pour les cycles 1 et 4, respectivement. Ces estimations suggèrent que la masse hydratée de NC couche déposée dans le quatrième cycle de dépôt est 4x supérieure à celle du premier cycle de dépôt. L'augmentation de la masse associée à NF adsorption peut également être attribuée à l'eau entraînée dans la structure poreuse créée par les fibres. Une augmentation de la quantité d'eau piégée, avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche a été signalée dans des systèmes impliquant des multicouches MFC 48,59. images AFM montrent en outre la lignine adsorbé le long de la coate PDDAd fibrilles après l'étape de dépôt de la lignine, comme on le voit dans les images après trois cycles (Figures 6a et b).

Figure 4
. Figure 4 a) images AFM amplitude de PDDA sur mica (5 x 5 um), b) MWL sur PDDA (2,5 x 2,5 um), et c) l'OL sur PDDA (2,5 x 2,5 um).

Figure 5
Figure 5. Des images de la hauteur de NC sur PDDA après le 1er (a) et 3 (b) cycle de dépôt (2,5 x 2,5 um).


Figure 6. A) Amplitude et b) images de la hauteur de HMWL après le cycle de dépôt 4 (2,5 x 2,5 um). Les images montrent des particules de lignine déposées sur les fibrilles NC du 3ème cycle de dépôt.

Autoportants LBL Films

LBL films Free-permanents ont été créés après 250 cycles de dépôt à chaque cycle comportant deux PDDA, un lignine, et une couche de nanocellulose. Les films ont été isolés après que le substrat de l'acétate de cellulose a été dissous dans de l'acétone (Figure 7). Observation initiale du film est qu'il est translucide et flexible. Ces deux propriétés sont rarement associés à des composites à base de lignine qui contiennent une charge importante de la lignine. Échantillons de films ont été plongés dans l'azote liquide pendant 2 minutes une d application d'une force de flexion avec une deuxième série de pinces rompue échantillons. MEB des sections transversales de cryo-fracture de films LBL affiche une structure lamellaire (figures 8a et b). L'épaisseur des deux PDDA NC-et-NC-HMWL PDDA-OL n'a été trouvée être d'environ 4,3 um, ce qui implique une épaisseur moyenne d'environ 17 nm par cycle de dépôt. Les données SEM indique une épaisseur sensiblement plus élevé par rapport aux estimations QCM-D. Cependant, les mesures QCM-D ont été réalisées pour seulement quatre cycles de dépôt (pour atteindre les limites de l'instrument due à la surface de la visco-élastique). A partir des résultats QCM-D, on a constaté que la couche accumulation n'était pas linéaire pour les quatre cycles de dépôt étudiées. Par conséquent les données suggèrent qu'il nécessite plus de 4 cycles de dépôt pour l'augmentation de l'épaisseur par cycle de plateau.

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Figure 7. Un film sans date de NC-PDDA-HMWL obtenu après 250 cycles de dépôt. Les films autonomes ont été obtenus après la dissolution du substrat d'acétate de cellulose dans l'acétone.

Figure 8
Figure 8. Images MEB montrant la structure lamellaire des sections de LBL films cryo-fracture après 250 cycles de dépôt. Les films autoportants d'une) NC-PDDA-HMWL et b) NC-PPDA-OL ont été obtenus après l'acétate de cellulose substrat a été dissous dans de l'acétone. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

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Fabrication de nanocellulose

Pour nanocellulose fabrication réussie de l'oxydation de la fibre de pâte est nécessaire pour la fibrillation facile. L'oxydation est contrôlée par la disposition de l'hypochlorite de sodium, qui doit être ajouté lentement à des quantités connues sur la base de la quantité de cellulose. Une raison de l'oxydation limitée résulte de la conservation de la solution d'hypochlorite de sodium pendant des périodes prolongées. Cette efficacité d'oxydation réduit peut être noté au cours de la réaction; la suspension de pâte doit prendre une couleur jaunâtre pâle, en partie à travers la réaction lors de l'oxydation de succès. Si cela ne se produit pas, la teneur en acide carboxylique de la fibre est généralement inférieures à celles qui permettent la fibrillation facile.

La fibrillation des fibres oxydées avec un contenu d'acide carboxylique supérieur à 1,0 mmol / g de cellulose peut se produire par un certain nombre de différentes méthodes de traitement mécanique donnant des résultats similaires à la taille des particules de nanocellulose. Ultrasonicatisur une corne de haute puissance de traitement aux ultrasons pour de courtes périodes de temps ou homogénéisation avec une cellule microfluidique existe des alternatives à mélanger la fibre oxydée. La première fournit une voie pour préparer des lots individuels de 200 ml de suspensions NFC ou moins, tandis que le second fournit une voie pour préparer litres de suspensions de nanocellulose. Expériences passées à l'aide de microscopie à force atomique ont montré que ces fibrilles ont des longueurs de 530 ± 330 nm et une épaisseur de 1,4 ± 0,7 nm 60.

QCM-D viscoélastique Modélisation

La masse et l'épaisseur des couches de polymère adsorbées peuvent être déterminés par la relation Sauerbrey. Cependant, la méthode n'est valable que si la couche déposée est rigide, et l'ensemble du système fonctionne comme un résonateur composite. Cette limitation peut être contrôlé par la surveillance de la dépendance à la fréquence des harmoniques (AF / n). Figure 9 montre que, avec l'augmentation du nombre de couches, les harmoniques déplacentplus éloignés, ce qui suggère que l'épaisseur augmente, la réponse des films ont tendance à être moins rigide et visco-élastique 48. Pour un film plus épais ou visco-élastique, la nature de la propagation de l'onde acoustique de cisaillement dans et à travers le film affecte l'estimation de la masse associée 61. Par conséquent, dans de tels cas, AF n'est pas directement proportionnelle à Δm. Aussi, il est essentiel de comprendre que la masse estimée de QCM-D peut comprendre de l'eau couplé à cause de l'hydratation et de la traînée visqueuse. La quantité d'eau couplé varie en fonction de la nature de la pellicule adsorbée, mais peut généralement être comprise entre 1,5 à 4 fois la masse molaire de la matière adsorbée 61.

Figure 9
Figure 9. Réponse en fréquence des harmoniques impairs de 5 à 11 à la suite de l'LBL adsorption de PDDA, HMWL, et NC, montrant la dépendance de la fréquence des harmoniques que le nombre de couches augmente.

Le Johannsmann modèle peut être utilisé pour tenir compte de la limitation du modèle Sauerbrey. Ce modèle alternatif détermine la masse réelle détectée d'une couche visco-élastique, a été utilisé pour étudier les caractéristiques d'adsorption des différents systèmes tels que des complexes de polyélectrolytes sur des substrats de polystyrène 62, de protéines sur substrat d'or 63, et de la cellulose microfibrillée sur polyélectrolytes 48,49. Figure 10 compare la masse surfacique estimée avec le modèle Johannsmann après quatre cycles de dépôt pour les systèmes NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL. Les valeurs de la masse adsorbée par cycle et la masse de NC et de la lignine par cycle sont donnés dans le tableau 1 et 2, respectivement. De cette comparaison, on voit que la masse totale adsorbée après quatre cycles d'adsorption est similaire pourtant NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL (29,38 ± 2,57 et 31,78 ± 2,44 mg / m 2, respectivement). A partir des quatre cycles d'adsorption étudiés, la masse de lignine adsorbé dans les deux premiers cycles a été vu pour différer entre les deux systèmes. La masse de HMWL adsorbé au cours des cycles d'adsorption 1 et 2 étaient presque deux fois celle de LO (tableau 2). Cependant, la masse des deux lignines différentes adsorbés dans les cycles 3 et 4 sont semblables. La masse de NC adsorbé dans les deux systèmes était similaire, sauf pour le cycle 2, où la masse de NC adsorbé dans NC-PDDA-OL était légèrement plus élevé que NC-PDDA-HMWL. Cette différence provoquée début du cycle 3 d'avoir la même quantité de masse totale pour les deux systèmes. Ces résultats suggèrent que, après les cycles initiaux il ya peu de différence dans l'assemblage pour le type de lignine dans les films composites. Ces données suggèrent que les films LbL de modèle parois végétales peuvent être créés à partir de lignines d'origines biologiques différentes et / ou des protocoles d'isolement. Actuellementil n'y a pas d'autres méthodes qui peuvent faire modèle matériaux de la paroi cellulaire autonomes avec certains lignines d'une structure particulière.

Figure 10
Figure 10. Masse surfacique estimée avec le modèle de Johannsmann pour NC-PDDA-HMWL (■) et NC-PDDA-OL (●) après 4 cycles de dépôt.

Cycle # Masse par cycle (en mg / m 2) Masse cumulée (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

Tableau 1. Masse surfacique estimée à partir des données QCM-D en utilisant le modèle de Johannsmann pour 4 cycles de dépôt.

1
Cycle # La lignine (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

Tableau 2. Areal estimation masse de lignine et NC en utilisant le modèle de Johannsmann pour 4 cycles de dépôt.

Une comparaison des données modélisées après quatre cycles de dépôt de NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL (figure 11 et tableau 3) révèle des tendances similaires observées avec Johannsmann '; S modèle. Le premier courant est la similitude entre les épaisseurs finales entre les films avec deux types de lignine pour une limite de densité de film donné. Les épaisseurs finales après 4 cycles de dépôt pour NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL avec supposant une densité de 1000 kg / m 2 étaient de 31,5 ± 3,5 et 30,4 ± 5,1 nm, respectivement (figure 12). Les épaisseurs finales pour la même, avec une densité supposée de 1400 kg / m 2, ont été de 23,4 ± 2,8 et 22,1 ± 3,1 nm, respectivement. La deuxième tendance est révélée au début du troisième cycle où la variation d'épaisseur est la même pour les deux lignines, que l'on trouve pour l'estimation de la masse. L'épaisseur de la couche PDDA n'a pas été estimée en raison des variations négligeables ou négatives dans l'épaisseur après l'adsorption de PDDA. Cependant, on a observé que la couche séquentielle significative l'accumulation n'a pas été possible sans l'adsorption de PDDA suivant l'adsorption de la lignine ou NC (données non présentées). Ce résultat indicates que l'adsorption de la couche de liaison est une étape essentielle dans la séquence d'adsorption.

Figure 11
. Figure 11 Epaisseur estimée avec le modèle de Voigt (noir) par rapport à l'épaisseur estimée avec l'équation Sauerbrey (7e harmonique; gris). L'densité du film a été estimée à 1000 kg / m 2.

Figure 12
Figure 12. Comparaison de l'épaisseur estimée avec le modèle Voigt pour NC-PDDA-HMWL (■) et NC-PDDA-OL (●) après 4 cycles de dépôt avec une densité supposée de 1.000 kg / m 2.

le tableau 3. Les valeurs d'épaisseur d'ellipsométrie du premier cycle de dépôt ont donné une estimation proche de l'épaisseur du modèle de Voigt, avec supposant une densité de 1000 kg / m 2. La valeur de l'épaisseur d'ellipsométrie du premier cycle est de près de 2 à 3 fois plus grande que chacun des cycles 2 à 4. Ce phénomène est lié à des différences de dépôt PDDA dans le premier cycle par rapport aux autres cycles. D'après les expériences QCM-D, la couche initiale PDDA sur l'or se trouve être ~ 2 nm d'épaisseur. Cependant, il y avait des changements négligeables ou négatifs de la masse / épaisseur quand PDDA a été introduit en NC ou de lignine. Une réponse similaire a été observée dans une étude précédente impliquant LBL adsorption de la lignine kraft et PDDA, où une accumulation linéaire de l'épaisseur du film a été observée, même si il était négligeable adsorption PDDA 56. La partie inférieuredes valeurs d'épaisseur d'ellipsométrie de la deuxième par l'intermédiaire quatrième cycles de dépôt par rapport à la première cycles peuvent être attribués à un changement de la conformation de la couche déposée sur PDDA quand or. Cependant, l'importance relativement faible adsorption de PDDA dans 2-4 cycles est suffisante pour poursuivre le processus d'assemblage LBL. Il n'y a de différence significative entre l'ellipsométrie et de l'épaisseur QCM-D dans les troisième et quatrième cycles, que l'épaisseur Voigt estimée (sur la base d'une densité de 1000 kg / m 2) s'est révélé être le double de celle de l'épaisseur de l'ellipsométrie à la fois pour NC- systèmes PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL. Ce résultat par rapport aux données QCM-D implique en outre une nature viscoélastique de plus en plus de films que les couches produit d'accumulation. Il est suggéré que les couches supérieures sont plus poreux par rapport aux couches inférieures contenant de l'eau piégée supplémentaire. En outre, NC utilisé dans cette étude est décorée avec des groupes carboxyle à la position C6 (teneur en carboxyle de 1,0 mmol / g de cellulose), ce qui rend la fibers plus hydrophile. Groupes anioniques décorant le NC conduit à la couche étant hydratée et visqueux, d'où l'écart par rapport à la relation Sauerbrey; la relation est applicable seulement pour les films minces et élastiques.

Cycle # NC-PDDA-HMWL (nm) NC-PDDA-OL (nm)
Voigt Voigt Ellipsométrie Voigt Voigt Ellipsométrie
(1000 kg / m 2) (1400 kg / m 2) (1,000 kg / m 2) (1400 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

Tableau 3. Épaisseur cumulée après chaque cycle d'adsorption estimée par le modèle de Voigt, avec des densités de 1,000 et pris en charge 1400 kg / m 3, et d'épaisseur environ par ellipsométrie pendant 4 cycles de dépôt.

Pour enquêter sur la validité de l'épaisseur du film sec estimé par ellipsométrie, un test AFM de zéro a été effectuée à la fois sur NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL après quatrecycles de dépôt sur une tranche de silicium. Le profil de hauteur de l'essai de rayure a une épaisseur moyenne de 15,1 ± 0,9 nm et 17,3 ± 3,0 nm respectivement pour NC-PDDA-HMWL et NC-PDDA-OL, respectivement. Ces valeurs sont du même ordre que ceux mesurés par ellipsométrie (tableau 3). Ellipsométrie a entraîné dans les plus petites mesures (optique, sec), suivie par l'AFM (profil de la hauteur, sec), et QCM-D (masse détectée, estimée à partir de l'état hydraté).

Différences de lignine

Les deux types de lignines utilisées dans cette étude étaient lignine organosolv (OL, Sigma Aldrich, Inc) et de feuillus blanchi bois lignine auparavant isolés dans nos laboratoires et récemment caractérisées pour cette étude (de HMWL) 64. L'analyse GPC d'échantillons acétylés de HMWL et OL a montré une valeur de Mn de 5300 et 1300 g / mol respectivement. La fraction d'aromatiques: l'acétate d'hydrogène aliphatique déterminé à partir de l'analyse de RMN 1H des échantillons de lignine acétylés nousre jugée 1,16:1, et 0.26:1 respectivement pour l'OL et HMWL. Ainsi, OL s'est révélé avoir une teneur en composés phénoliques significativement plus élevée, ce qui représenterait un plus grand nombre de groupes phénoliques ionisables à un pH élevé. L'indice d'acide total des deux lignine déterminé par des titrages conductomètriques était de 0,41 ± 0,02 et 0,34 ± 0,03 mmol / g respectivement pour l'OL et HMWL. L'indice d'acide déterminé par titrage conductimétrique représente la contribution de deux phénolique et le contenu carboxylique présent dans la lignine. D'où la lignine légèrement supérieure chargée, qui a une masse moléculaire inférieure, formant une épaisseur légèrement inférieure à la variation de la fréquence initiale. Une différence de dépôt est généralement remarquable pour polyélectrolyte adsorption sur des surfaces chargées comme responsable de secteur et MW changement 65. Dans les deux premiers cycles de dépôt, la lignine organosolv a une moitié de la masse surfacique de la valeur de la lignine du bois blanchi. Cette tendance est également observée avec les AME ellipsométrieurements, comme l'épaisseur de NC-PDDA-OL dans le premier et le second cycle est plus faible que-NC-PDDA HMWL. Cependant, cette étude montre qu'il existe des changements minimes dans les troisième et quatrième cycles, ainsi que 250x lorsque le processus est répété. Le grand nombre de cycles magnifier les petites différences dans adsorption. Les données suggèrent que la lignine avec la structure disparate n'affecte pas grandement la fabrication des films autoportants. Par conséquent, soit lignines techniques, disponibles à partir de la conversion de la biomasse en papier, des carburants et des produits chimiques, ou modèle lignines soigneusement isolés peuvent être utilisés pour former des films autoportants avec nanocellulose. Ce fait est significatif où les lignines d'origines différentes peuvent être choisis avec soin pour rendre les surfaces de la paroi cellulaire de modèle.

Les travaux futurs devraient intégrer riches couches de liaison hydroxyle (synthétiques tels que l'alcool de polyvinyle ou des bioproduits comme les hémicelluloses) pour remplacer ou augmenter la couche de liaison PDDA utilisée dans la présente étude pour obtenir un nanocomposite structuréun film qui représente plus étroitement le composite de la paroi cellulaire du bois. L'intégration des microfibrilles de cellulose et de la lignine à travers 17 nm est à portée des structures de parois cellulaires natifs et fournit un nouveau matériau de modèle pour servir de paroi de la cellule artificielle de bois.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu principalement par le programme du doctorat Scholar de l'Institut de technologie de critique et de sciences appliquées (ICTAS) à Virginia Tech, le Tech Graduate School Virginie pour soutenir le programme de nanotechnologie durable, et aussi le ministère américain de l'Agriculture, le numéro de subvention NIFA 2010-65504-20429. Les auteurs remercient également les contributions de Rick Caudill, Stephen McCartney, et W. Travis Eglise à ce travail.

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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Vers Biomimicking Bois: Films Fabrication libre-debout de nanocellulose, lignine, et un polycation synthétique
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Pillai, K., Navarro Arzate, F., Zhang, W., Renneckar, S. Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation. J. Vis. Exp. (88), e51257, doi:10.3791/51257 (2014).More

Pillai, K., Navarro Arzate, F., Zhang, W., Renneckar, S. Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation. J. Vis. Exp. (88), e51257, doi:10.3791/51257 (2014).

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