Abstract
나노 입자, 나노 기술 및 나노 의학의 핵심 소재 중 하나로, 지난 10 년 동안 상당한 중요성을 얻고있다. 금속 기반의 나노 입자 합성 및 환경 번거 로움과 연관되어 있지만, 셀룰로오스 나노 입자 합성을위한 녹색, 지속 가능한 대안을 소개합니다. 여기서, 우리는 나무 섬유를 기반 털이 (비정질 및 결정질 영역 모두 담지) 나노 입자와 생체 고분자의 새로운 클래스를 생성하기 위해 화학 합성 및 분리 방법을 제시한다. 연질 목재 펄프의 요오드 산화를 통해, 셀룰로오스 글루코오스 고리는 2,3- 디 알데히드 그룹을 형성하는 C2-C3 결합이 개방된다. 부분적으로 산화 된 섬유 또한 가열 (예를 들어, T = 80 ° C를) 잘 간헐적 원심 분리에 의해 분리 된 세 가지 제품, 즉 섬유 산화 셀룰로오스, 입체적으로 안정화 된 나노 셀룰로오스 (SNCC), 용해 디 알데히드 수정 셀룰로오스 (DAMC), 결과 공동 용매 부가.부분적으로 산화 된 섬유 (가열하지 않고)는 카르복실기 거의 모든 알데히드 변환 염소산과 반응 중간체 반응성 사용 하였다. 공동 용매 침전 및 원심 분리 electrosterically 안정화 된 나노 셀룰로오스 (ENCC) 및 dicarboxylated 셀룰로오스 (DCC) 결과. 종래 NCC에 비해 SNCC 및 ENCC (카르복실기 함량)를 정확하게 예를 들면 나노 입자 (그램 당 7 개 이상의 밀리몰 관능기 베어링 매우 안정한 나노 입자의 결과로, 요오드 산화 반응을 시간 제어함으로써 제어 하였다 따라서 표면 전하의 알데히드 함유량 베어링 << 1 밀리몰 작용기 / g). 원자 힘 현미경 (AFM), 투과형 전자 현미경 (TEM), 주사 전자 현미경 (SEM)은 막대 형상의 형태로 증명. 전도도 적정, 푸리에 변환 적외선 분광기 (FTIR), 핵 자기 공명 (NMR), 동적 광산란 (DLS), 기적-의 변환이러한 나노 물질의 우수한 특성에 onic 진폭 (ESA) 및 음향 감쇠 분광 창고 빛.
Introduction
셀룰로오스는, 세계에서 가장 많은 생체 고분자와 같은 하나 (또는 셀룰로오스 나노 CNC라고도 NCC) 나노 결정질 셀룰로오스라는 결정 성 나노 입자를 수득 주요 원료로서 최근에 제공되었다. NCC 합성의 메카니즘을 이해하기 위해 셀룰로오스 섬유의 구조를 탐색 할 필요가있다. 셀룰로오스는 선형 폴리 - 베타 (1,4) -D- 글루코스 잔기 둘 다 분산 중합체를 포함한다. 각 단량체의 설탕 반지 (1.5)의 체인을 형성하는 글리코 시드 산소를 통해 연결된 첫 번째 Nageli 및 Schwendener 2,4에 의해보고 결정 부품 무질서, 비정질 영역을, 교대 도입, 104 글루 코피 라노스 단위 2,3 X됩니다. 소스에 따라 셀룰로오스 성 부분은 다양한 다형 5를 채용 할 수있다.
셀룰로오스 섬유를 강산으로 처리되는 경우, 예컨대 황산, 비정질상이 완전히 가수 분해 될 수 아Y는 중합체 중단 소스에 따라 다양한 종횡비의 결정 입자 (생성하는 예를 들면 폭의 목재면 수율 90 % 이상의 결정 성 나노 막대 ~ 50-10 nm이고, 길이가 ~ 100-300 nm의 tunicin 반면, 박테리아, 조류는) 몇 마이크로 미터 긴 NCC 업체에 5-60 나노 미터 폭 100 nm의 생산 6. 독자는 이러한 나노 물질 2,5,7-16의 과학 및 엔지니어링 측면에서 사용할 수 문학의 방대한 양이라고합니다. 이러한 나노 입자의 많은 흥미로운 특성에도 불구하고, 자신의 콜로이드 안정성은 항상 그들의 상대적으로 낮은 표면 전하 콘텐츠 (이하 1 밀리몰 / g) (17) 높은 소금 농도와 높은 / 낮은 pH에서 문제가되고있다.
대신 강산 가수, 셀룰로오스 섬유는 더 심각한 부반응 18,1와 2,3- 디 알데히드 단위를 형성하는 하이드로 D 글루 코피 라노스 잔기에 C2-C3 결합을 절단, 산화제 (요오드)으로 처리 될 수있다9. 이들은 부분적으로 산화 된 섬유는 기계적 전단 또는 초음파 (20)없이 단독으로 화학 반응을 이용하여, 비정질 및 결정질 두 영역 (털이 나노 결정질 셀룰로오스)를 함유하는 나노 입자를 제조하는 유용한 중간 물질로서 사용될 수있다. 부분 산화 정도 DS <2 가열 입체적으로 안정화 된 나노 결정질 셀룰로오스 (SNCC)라는 제품, 즉 섬유상 셀룰로오스, 수분 산성 디 알데히드 셀룰로스 나노 위스커 세 일괄 섬유 결과 산화 및 분리 할 수 알데히드 변성 셀룰로오스 (DAMC)을 용해 할 때 공동 용매 또한 정확하게 제어 및 간헐적 인 원심 분리 (21)에 의해.
부분적으로 산화 된 섬유에 제어 염소산 산화 수행는 알데히드 함량 18에 따라 나노 결정질 셀룰로오스 그램 당 높은 밀리몰 7로서 COOH기를 도입 할 수 단위 카복실 거의 모든 알데히드기 변환 (17) 상에 존재하는 것이 확인되었다. 이 물질은 중금속 (22)을 청소할 수있는 고효율 흡착제로서 사용되어왔다. 이들 나노 입자의 전하를 정밀 요오드 반응 시간 (23)를 제어함으로써 제어 될 수있다.
셀룰로오스의 알려진 산화 반응에도 불구하고, SNCC 및 ENCC의 생산은 다른 연구 그룹에 의해 가장 아마도 분리 문제에보고 된 적이있다. 우리는 성공적으로 합성하고 정확하게 반응 및 분리 단계를 설계하여 나노 제품의 다양한 분수를 분리 할 수 있었다. 이 시각 문서 재현성 비정질 및 결정 성 부분 모두 베어링 상기 새로운 나노 위스커를 준비하고 특성화하는 방법에 대해 완전한 세부 사항을 보여줍니다나무 섬유에서의. 이 튜토리얼은 부드러운 소재, 생물 및 의약 과학, 나노 기술 및 나노 포토닉스, 환경 과학 및 공학, 물리학 등의 분야에서 활약하는 연구자 자산이 될 수 있습니다.
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Protocol
주의 :을 만지기 전에 모든 화학 물질의 물질 안전 보건 자료 (MSDS)를 참조하십시오. 이 연구에서 사용 된 화학 물질의 대부분은 심각한 건강 피해의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 실험실 코트, 장갑, 고글 등의 개인 보호를 사용하는 것은 필수입니다. 안전이 최우선임을 잊지 마십시오. 합성에서 사용되는 물은 증류수된다.
중간체로서 부분적으로 산화 섬유의 제조 1
- 약 2 × 2cm 2의 작은 조각으로 4g Q-90 침엽수 펄프 시트를 눈물.
- 적어도 하루 동안 물에 조각난 펄프 시트를 담근다.
- 거의 균일 한 분산을 달성하기 위해 기계식 분쇄기를 이용하여 습식 분해 펄프.
- 진공 필터를 조립하는, 흐너 깔때기 나일론 필터를 확보 필터 플라스크 깔때기를 배치했다. 다음으로, 적절한 배관을 이용하여 진공 펌프 필터 플라스크를 연결한다. 펌프를 켜고 FUNN에서 분해 된 펄프 용액을 부어엘은 액체에서 펄프를 분리합니다.
- 젖은 펄프 (m 1)의 무게를 측정하고 펄프에 의해 흡수 된 물의 양 계산 : w m, 1 = m 1-4을.
- 요오드 산화제 용액의 제조
- SNCC / DAMC 합성 : 별도로 w 200- m, 1 ㎖의 물에 2.64 g의 요오드 산 나트륨 (NaIO 4) 및 15.48 g의 염화나트륨 (염화나트륨)을 녹인다.
- ENCC / DCC 합성 : 별도로 w 266- m, 1 ㎖의 물에 5.33 g의 요오드 산 나트륨 (NaIO 4) 15.6 g 염화나트륨 (염화나트륨)을 녹인다.
- 1.6에서 제조 된 솔루션을 별도로 젖은 펄프를 추가합니다. (펄프 플러스 추가 물에 의해 흡수) 물의 총량이 SNCC 200 mL 및 ENCC의 합성을위한 266 ml의 동일 있는지 확인합니다.
- t의 원하는 시간 동안 RT에서 속도 ~ 105 rpm으로 교반하면서 요오 비활성화를 방지하기 위해 충분히 알루미늄 호일로 커버 비이커IME는 표 1에 따른 선호 알데히드 함량을 달성한다. 예를 들어, ~ 6.5 밀리몰 / g 알데히드를 수득 96 시간 동안 반응한다.
- 반응 시간이 경과되면, 알루미늄 박을 열어서 혼합물에 에틸렌 글리콜 (ENCC / DCC 합성의 경우) 또는 3 ㎖ (SNCC / DAMC 합성의 경우) 1 mL를 추가하고 산화 막을 10 분 동안 교반 요오드를 급냉 반응.
- 진공 여과 (1.4에 따름)에 의해 산화 된 펄프를 수집 500㎖의 물에 재 분산하고, 30 분 정도 교반한다. 요오드 철저히에서 펄프를 청소하기 위해 적어도 5 번이 단계를 반복합니다.
- 산화 된 펄프의 5 번째 물 세척 후, 진공 여과에 의해 용액으로부터 펄프를 분리하고 감기 (4 °에 C) 장소에 보관하십시오.
SNCC 및 DAMC 2. 합성
- 사에 의해, 1.11에서 얻어진 부분적으로 산화 젖은 펄프 (m 1), 분할 : 평방 미터 = m 사분의 일,- 1 2, w m = m 2 : 흡수 물의 무게를 측정한다.
- (- 2, w m 100) 둥근 바닥 플라스크에 g 물 (총 수분 함량 = 100 g)에 펄프를 분산.
- 오일 욕의 둥근 바닥 플라스크에 넣고 부드럽게 교반하면서 6 시간 동안 80 ° C에서 부분적으로 산화 된 펄프를 가열한다.
주 : 펄프 완전히 요오드로 산화되면 (DS = 2), 즉, 3.87 g의 NaCl (8.64 mmol) 및 65 ml의 물로 6 교반을 포함하는 용액에 1.85 g NaIO 4 (8.65 밀리몰)을 1g 펄프 반응시켜 일, 물에 가열 조건 및 체류 시간에 따라 디 알데히드 셀룰로스 (DAC)의 속성 (표 2) 변경됩니다. - RT에 대한 해결책을 냉각.
- 10 분 동안 18,500 × g으로 용액에서 원심 분리기. 침전물 unfibrillated 셀룰로오스 (분획 1)이다.
- 조심스럽게 상층 액을 분리하고 (A)를 무게.
- 1.7 (A)에 추가 g 프로판올SNCC 석출 교반하면서 2.6에서 얻어진 상청액이다. 분리 된 SNCC 및 추가 프로판올에 대한 자세한 사항은 그림 1에서 사용할 수 있습니다.
- 10 분 동안 3,000 XG에서 이상성 솔루션을 원심 분리기 및 재 분산 및 추가의 정제 (4 절) 및 특성화 (섹션 5)에 대해 투석 할 준비가 경사에 의해 생성 된 겔 침전물을 (두 번째 부분, SNCC), 분리한다.
- 2.8에서 얻어진 상청액을, 백색 침전물 (3 분획, DAMC)을 수득 3.5 (A) g 프로판올을 추가한다.
- 10 분 동안 3,000 XG에서 2.9의 솔루션을 원심 분리기, 준비 (별도의 비커에 뜨는을 부어) 겔 같은 DAMC 침전물을 수집은 (섹션 4에서 사용할 수있는 세부 사항) 투석에 의해 정제 물에 재 분산하고, 특징으로한다 (5 절).
ENCC 및 DCC 3. 합성
- 100 ㎖에 용해시켜, 0.5 M 수산화 나트륨 (NaOH) 용액을 제조 ~ 2g의 NaOH를물을 따로 보관합니다. 이 단계 3.7에서 사용됩니다.
- m 3 = m 4분의 1, 흡수 물 무게 측정 : 사에 의해, 1.11에서 얻어진 습식 산화 펄프, 분할 w m, 3 = m 3 1 -.
- (- 3 w m 50) 용액에 물과 용해 교반 별도로, 2.93 g의 염화나트륨 및 1.41 염소산 나트륨 (차아 염소산 나트륨 2)를 추가한다.
- m 3.3에서 얻은 용액 (포함 ~ 1g의 건조 산화 펄프) 습식 산화 펄프 3g을 일시 중단합니다. 최종 펄프 농도가 50 ㎖ 가능한 전체 물 1g되어 있습니다 (무료는 물을 흡수).
- 3.4의 용액에 pH 미터를 놓습니다.
- 단계 3.4 적하의 혼합물에 1.41 g의 과산화수소 (H 2 O 2)를 추가한다.
- 서서히 단계 3.1에서 제조 한 0.5 M 수산화 나트륨 (NaOH)을 첨가하여 pH를 ~ 5로 유지하면서 105 rpm에서 RT에서 24 시간 동안 3.6의 현탁액을 교반 하였다.
pH가 반응 개시로부터 빠르게 ~ 15 분 후 감소 개시하고, 반응 중 적어도 처음 4 시간 동안 5에서 일정하게 유지한다 : 참고. 편의를 위해,이 반응은 오후 1시 시작하고, pH가 5 시까 제어하는 것을 제안하고, 반응물을 방치 O / N와 초기 pH가 다시 5로 증가 아침에. 이러한 긴 시간 후, pH를 강하 변환 대부분이 달성되었음을 나타내는 크지 않을 것이다. 이제 거의 고체 (큰 섬유는 나노 입자로 분해된다), 용액에서 관찰 될 수 없다. 반응이 장시간 방치되는 경우, 결정질 부분은 중단 될 수 있습니다. - 10 분 동안 27,000 XG에 동일 가중 원심 분리기 튜브와 원심 분리기에 3.7에서 얻은 현탁액을 분할하고, 마이크로 섬유 침전물로부터 상층 액 (ENCC + DCC)를 분리합니다.
- 3.8에서 얻은 상등액을 달아 솔루션 질량 (B)로 전화하십시오.
- 천천히 0.16 (B) g의 이단을 추가백색 침전물 (두번째 분획 ENCC)을 형성하도록 교반하면서 3.9 용액에 올 실시.
- 원심 분리기 10 분 동안 3,000 XG에 3.10의 솔루션 및 경사에 의해 생성 된 겔 ENCC 침전물을 분리합니다. ENCC 투석 (섹션 4에서 사용할 수있는 세부 사항)에 의해 정제 물에 재 분산하고, (섹션 5)를 특징으로 할 준비가되어 있습니다.
- 3.11 얻어진 상등액, 백색 침전물 (3 분획, DCC)을 수득 용액 질량 에탄올의 동일한 질량을 추가한다.
- 10 분 동안 3,000 XG에서 3.12의 용액을 원심 분리하고, 겔은 DCC (제 4의 가능한 상세) 투석에 의해 정제하고, 물에 재 분산 한 것을 특징으로 준비 침전 분리한다.
4. 투석 절차 SNCC, DAMC, ENCC 또는 DCC를 정화하는
- 1 시간 동안 격렬하게 교반하면서 10 ml의 물에 겔상 2.8 (SNCC) 중 어느 한 단계에서 얻어진 침전물을, 2.10 (DAMC), 3.11 (ENCC) 또는 3.13 (DCC)를 재 분산.
- 장소 일전자 투석 튜브의 분산 (MW 컷오프 = 12 ~ 14 kDa의, 길이 ~ 30cm, 폭 ~ 4.5 cm) 및 클리핑으로 상단과 하단을 고정합니다.
- 증류수 ~ 4 L의 작성 투석 가방을 놓고 염을 꺼내 24 시간 동안 교반한다.
- 감기 (4 °에 C) 대신에 용기 저장소에 투석 솔루션을 수집합니다.
5. 후 정화 특성 : 고체 단계 및 충전 농도 측정
- 농도 측정
- 가중 접시에 원하는 분산액을 3 ㎖ (알루미늄 컵 57 mm)를 단다.
- 오븐 (50 ° C) O / N의 분산을 포함 칭량 접시를 놓습니다.
- 드라이 필름의 무게를 측정하고, 분산 된 나노 입자 또는 중합체의 농도를 구한다
농도 = 드라이 필름 / 3의 100 × 질량, 또는 (V % / w)
농도 (% w / w) = 분산의 드라이 필름 / 질량의 100 × 질량
- 전도율 적정
- 알데히드 함량을 결정하는 SNCC 또는 DAMC의 전도율 적정
- 100 ㎖의 최종 부피를 조절 한 다음 25 ㎖의 물에 0.82 mL의 염산을 첨가하여 0.1 M 염산 (HCL)을 준비한다.
- 별도로, 최종 용액 100 ㎖을 달성하기 위해 증류수에 0.4 g의 수산화 나트륨을 첨가하여 0.1 M의 NaOH를 준비한다.
- 히드 록실 아민 히드로 클로라이드의 방법 (24)에 이어, 물을 원하는 양으로 원하는 분산액의 공지 된 양을 추가하는 (예를 들어, 50 g, 0.02 ml의 H 2 O).
- 염산 (0.1 M)을 희석하여 pH를 3.5로 조정합니다.
- 10 ml의에게 분산에 염산 히드 록실 아민 용액 (/ w w 5 %)를 추가합니다.
- pH를 모니터링하고 pH가 3.5에서 안정 될 때까지 0.1 M NaOH를 추가하여 3.5에서 보관하십시오.
- NaOH를 소비 된 양을 사용하여, 알데히드기 및 NH 2 OH · HCl을 반응으로부터의 방출 된 H + 중화 알데히드 집중하고 측정 할기 (반응 중에 생성 된 HCl을 소비의 NaOH = 몰 = 몰 SNCC에 알데히드기 몰).
- 카르 복실 내용을 결정하는 ENCC 또는 DCC의 전도율 적정
- 문학 (25) 다음, 증류수 고체 140 ml의 0.02 g을 가지고 원하는 분산의 충분한 양을 추가 할 수 있습니다.
- 별도로, 최종 용액 100 ㎖을 달성하기 위해 증류수에 염화나트륨 0.117 g을 용해시켜 20 mM의 염화나트륨을 준비한다. 5.2.2.1 20 mM의 NaCl을 2 ㎖를 추가합니다.
- 약 3 염산 (0.1 M)를 희석 사용하여 pH를 줄입니다.
- pH를 ~ 11까지 0.1 ㎖ / 분 단위 표준 수산화 나트륨 (NaOH로 10 mm)를 첨가하여 전도도 적정을 수행한다.
- 충전 그룹 (도 2에 상세) 중화 표면 전하 농도를 측정하기 위해 NaOH를 소비 볼륨을 사용 (소비 된 염기의 1 몰은 입자 표면에 1 몰 COOH 같음).
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Representative Results
펄프 및 요오드 염소산 산화 동안 각 분획의 질량 부와 전하 함량은 반응 시간 (표 1)에 달려있다. 또한, DAC 분자량은 가열 조건과 체류 시간 (표 2)에 의존한다. SNCC 및 DAMC가 만들어지면, 이들은 프로판올 (도 1)을 첨가하여 침전. ENCC의 충전 함량을 측정하기 위해, 전도도 적정 (도 2)를 행한다. NCC와 ENCC 콜로이드 동작은 이온 강도와의 pH에 의해 영향을 받는다. 크기와의 KCl 염 농도와 pH를 대 NCC와 ENCC의 제타 전위는 그림 3에 제시되어있다. SNCC는 중성 입자이며, 그 크기는 추가 프로판올 (그림 3)에 의해 영향을 받는다. NCC, ENCC 및 SNCC (도 4)의 투과 전자 현미경 (TEM) 및 원자 현미경 (AFM) 사진이 입자 F 이점 것을 증명비슷한 결정 몸을 ROM. 높은 카르복실기 함량 베어링 ENCC 수성 시스템 (도 5)으로부터 구리 이온의 높은 금액을 분리 할 수있다. FTIR 스펙트럼 및 ENCC / DCC 및 SNCC 13 C NMR 종래 NCC 및 셀룰로스 펄프 (도 6)와 화학 구조의 차이를 보여준다. 마지막으로, 산화 셀룰로오스 (도 7)의 각종 분획의 X 선 회절 (XRD)은 이들 재료의 결정 성을 밝혀.
| 요오드 산화 시간 (시간) | 알데히드 함량 (밀리몰 / g) | 분수 | 질량 비율 (%) | 충전 함량 (밀리몰 / g) |
| (10) | 1.5 | 1 | (90) | 1.2 |
| 이 3.5 | 3.6 | |||
| 삼 | 7.5 | 3.95 | ||
| (16) | 2.5 | 1 | (82) | 2.15 |
| 이 | (5) | 4.25 | ||
| 삼 | (12) | 4.6 | ||
| (24) | 3.5 | 1 | 69 | 2.9 |
| 이 | (10) | 4.8 | ||
| 삼 | (21) | 5.25 | ||
| (96) | 6.5 | 1 | 9 | 4.05 |
| 이 | (52) | 6.6 | ||
| 삼 | (40) | 6.95 |
페이지의 요오드와 클로 산화 동안 각 부분의 표 1 질량 부와 무료 콘텐츠 ULP 23.
| 온도 (° C) | 가열 시간 (시간) | 실온에서 물 체류 시간 (일) | 평균 몰 질량 (kDa의) | 중합도 |
| (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) |
그림 1. 석출 SNCC 및 DAMC 추가 프로판올 21 대. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
ENCC. COOH 농도 = 0.01195 (V의 NaOH) 그림 2. 전도율 적정 그래프 * 10 밀리미터 (수산화 나트륨 농도) / 0.02 g (초기 ENCC) ~ 5.98 밀리몰 / g. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
높은 이온 세기 (17)에서 그림 3. (A) NCC와 ENCC 행동. 추가 프로판올 21 대 SNCC의 (B) 크기의 진화. (C - F) NCC (원) ENCC (사각형) 크기의 KCl 염 농도와 pH를 동 전기 - 음파 진폭 (ESA)에서 얻은 및 음향 감쇠 분광법 17 대 제타 전위. 패널 (C) 별 동적 광산란을 표현합니다 (DLS) 크기입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4 투과 전자 현미경 ( TEM) 및 (B) 0 PPM, (C)는 100ppm 이하, (D) 300 ppm의 구리 농도가 22에서, (A) NCC 21 ENCC의 원자 힘 현미경 (AFM) 사진과 (E 및 F) SNCC 21. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
ENCC q를 '평형 구리 농도 C 전자 22 대 전자 그림 5. 구리 제거 능력. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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전하와도 6 (A) 셀룰로스 펄프 (a, 충전 함량이 0.06 밀리몰 / g), 제 1 분획 (B) 두 번째 분획 (c, 즉 ENCC)을 3 분획 (d, 즉의 FTIR 스펙트럼, DCC 콘텐츠 3.5 밀리몰 / g) 23. (B) 액상의 DCC 13 C NMR (충전 함량 3.5 밀리몰 / g) 23. 셀룰로스 펄프, NCC 및 SNCC 21의 (C) FTIR 스펙트럼. (D) 무 접점 셀룰로오스 펄프, NCC, 그리고 SNCC 21의 13 C NMR. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
산화 셀룰로오스 다양한 분획도 7 X 선 회절 (XRD). (A) 초기 셀룰로오스 (
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Discussion
이 시각 논문에서 논의 된 화학에 이어, 결정질 및 비정질 두 단계 (털이 나노 결정 셀룰로오스)를 베어링 조정 가능한 충전 매우 안정적인 셀룰로오스 계 나노 입자의 스펙트럼이 생성된다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 요오드 산화 시간에 따라 다양한 제품이 수득된다 : 산화 된 섬유 (분획 1), SNCC (분획 2), 및 DAMC (분획 3) 이들 각각은 정의 된 크기와 같은 고유 특성을 제공하는, 모폴로지 , 결정 및 알데히드 콘텐츠입니다. 다양한 음전하 종, 즉, 분획 1 (카르 펄프 섬유), 분획 2 (ENCC) 및 분획 3 (DCC)의 클로 결과하여 이러한 중간 물질의 추가의 산화는 표 1에 명시된. 요오은 (펄프를 완전히 산화되면 DS = 2), 가열 조건 (온도 및 인큐베이션 시간), 다양한 분자량 및 정도와 디 알데히드 셀룰로스 시리즈 (DAC)에 따라 조리중합을 제조 할 수있다. 표 2는 가열 조건에 비해 DAC의 분자량을 나타낸다. 난방은 고 활성 중간체로 사용할 수 있습니다 중립, 알데히드 기능화 나노 입자 (SNCC) 및 폴리머 (DAMC)에 부분적으로 요오드 산화 펄프를 변환하는 손쉬운 방법을 제공합니다. SNCC 및 DAMC 신중 보조 용매 등 프로판올을 추가로 분리된다. 추가 프로판올가 제시 대 그림 1에서 SNCC 및 DAMC을 분리.
도 2에 기술 된 바와 같이 ENCC 또는 DCC 이루어진다 간단한 전도도 적정하면 표면 전하 (카르복실기) 함량을 측정하기 위해 사용된다. NaOH를 동량을 표면 전하 중화 수율 전하 밀도 (예를 들어, ~ 6 밀리몰 / g의 그림 2). ENCC의 높은 전하 밀도는 돌출 dicarboxylated 셀룰로오스 (DCC) 쇄의 배제 용적과 함께 제공되는 정전을 안정electrosterically 안정화. 도 3a에서, ENCC 적어도 500 mM의 KCl을 행 안정한 분산액 업으로 유지하는 반면에 ~ 이온 강도의 50 mM가 NCC가 겔을 형성하는 것으로 도시되어있다. 이러한 동작은 음향 감쇠 분광법을 이용하여 NCC 및 ENCC의 크기가 연구에 의해 확인된다에서 NCC 크기가 증가 ~ 80에 ENCC 크기가 감소하면서 ~ 220 nm 내지 0 내지 50 mm의 이온 강도를 증가시킴으로써 ~ 150 nm 인 50 내지 DCC 의한 체인 (도 3c)를 돌출 후퇴 0 mm 내지 200의 KCl 농도를 증가시킴으로써 나노. NCC의 제타 전위에서의 감소 추세에 비해 ~ -100 MV에서 ENCC의 안정적인 제타 전위 ~ -75 MV에 ~ -40 MV가 ENCC에 높은 안정적인 충전 (그림 3D)에 증명. 또한, pH에 의존 (pH에 무관)의 제타 전위 (크기) ENCC (NCC) 3을 AT & 결과 NCC에 강산 표면 기 (도 3E 및 F)에 비해 약한 산 ENCC 표면 작용# 60; 도 3b에 도시 된 바와 같이 pH를 <12 흥미롭게 SNCC 크기는 보조 용매의 농도에 의해 영향을 받는다.
TEM 및 NCC, ENCC 및 SNCC의 AFM 이미지 (그림 4) 비슷한 결정 부분에 증명. 또한, 구리 등 가의 중금속 이온의 존재하에, ENCCs 낮은 구리 (II) 농도에서 안정성이 높은 스타 형 응집체를 형성한다 (예를 들어, 100 PPM,도 4C), 높은 구리 농도 (AT 예 300 반면 ppm으로, 그림 4D), 큰 뗏목 같은 불안정 집계가 형성된다. 이 각각 22, 낮고 높은 구리 농도에서 ENCC의 부분 및 완전 충전 중화에 기인한다. 이러한 경향은. 중금속 이온은 수성 시스템에서 구리 이온을 분리 ENCC를 사용하도록 우리를 격려 흡착 5 평형 구리 농도 22 대 구리 제거 용량을 제공합니다도합니다. 따라서, 1g의 ENCCENCC 표면 전하 콘텐츠 동등 ~ 180 mg의 구리 (II)를 제거 할 수있다. 이러한 높은 중금속 이온 제거 용량 장소 고효율 흡착제 (22) 사이에이 나노 물질.
산화 펄프 (도 6a)의 다른 분획의 FTIR 스펙트럼을 비교하면 1,015cm-1 (CH 2 -O에서의 피크에 비해 분획 번호, 1,605cm에서의 피크 세기를 증가시킴으로써 -1 COONa의 증가에 대응하는 것이 제안 -CH 2) 23. 이 분획 (23)의 카르복실기 함유량의 점진적인 증가를 증명한다. 흥미롭게도,도 6c에 1730 및 880cm SNCC에서의 특징적인 피크 -1, 셀룰로오스 펄프와 NCC에 비해, 카르보닐기와 헤미 아세탈 결합을 각각 (21)의 신장을 반영한다. 액상 DCC (그림 6B)의 13 C NMR은 59 ppm으로 피크를 보여줍니다 (C6)및 75 ~ 80 ppm으로 (C4와 C5), 102 ppm의 (C1), 175 ppm으로 (C2와 C3에 카르복실기) 여러 봉우리 23. 그림 6D는 C4 '어깨를 나타내는 13 C NMR, 고체 상태를 제공합니다 셀룰로오스 비정질상에 대응하는 피크. 예리한 피크 C4이 피크의 비율은 90 PPM NCC는 셀룰로스 펄프 (21)보다 높은 결정 성을 나타내는 높은로 (결정질 셀룰로스에 상당). 60-80 85-105 ppm을 ppm을 175-180 ppm에서 카보 닐 피크의 부족에서 넓은 피크 SNCC 21 알데히드기의 헤미 아세탈 결합을 의미한다. X 선 회절 셀룰로오스 및 각종 산화 된 분획 (도 7) (1, 2, 3) ~ 79 %, 61 %, 91 %, 및 23은 각각 23 % 결정 지표를 산출한다.
이 문서에서, 중성 또는 높은 충전 생체 고분자 및 나무 섬유에서 털이 나노 입자의 새로운 클래스를 준비하는 방법을 설명하고있다. 이 소설 g재 N 물질은 기존의 나노 셀룰로오스 (NCC)에 비해 뛰어난 콜로이드 및 표면 특성을 갖는다. 그들은 이러한 환경 개선, 나노 의학, 나노 복합 재료 및 재료 과학, 마이크로 및 나노 전자 기계 시스템 (MEMS / NEMS)와 같은 응용 프로그램의 넓은 스펙트럼에서 용이하게 할 수있다. 이 연구 및 발견은 셀룰로오스 계 나노 기술의 새로운 지평을 엽니 다.
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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
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