Summary
ここでは、リサイクル効率の高い固体ジカルボン酸を使用して高度に熱的に安定し、カルボキシル化セルロースナノ結晶（CNC）とナノフィブリル（CNF）の緑と持続可能な生産のための新規な方法を示しています。
Abstract
ここでは、潜在的に低コストでリサイクル性の高いジカルボン固体酸を使用して漂白ユーカリパルプ（BEP）および未漂白混合広葉樹クラフトパルプ（UMHP）繊維からの高い熱的に安定し、カルボキシル化セルロースナノ結晶（のCNC）とナノフィブリル（CNF）の緑の生産を実証します。それぞれ、BEPおよびUMHPために、60分及び120分間120℃（大気圧でない沸騰）を100℃で70重量％ - 典型的な操作条件は50の酸濃度でした。 0.4ミリモル/ gの - 結果のCNCは、0.2からその対応する供給繊維よりも高い熱分解温度とカルボン酸基含有量を有します。低強度（1.0のpKaが高い - 3.0） - 336 nmおよびCNC装置は、鉱酸を使用して製造よりも高い結晶性有機酸のも、約239のより長い長さの両方を持つCNC装置が得られました。砂糖へのセルロースの損失が最小でした。ジカルボン酸加水分解から繊維状セルロース系固体残渣（FCSR）をするために使用されました低エネルギー入力で、その後の機械的解繊を介してカルボキシル化のCNFを生成します。
Introduction
持続可能な経済発展は、再生可能かつ生分解性である原料を使用していないだけで必要ですが、また、これらの再生可能な原料からバイオ製品および生化学物質の多様性を生成するために緑と環境に優しい製造技術を使用しています。このような再生可能なリグノセルロースから製造されたセルロースナノ結晶（CNC）とセルロースナノフィブリル（CNF）、などのセルロースナノ材料は、生分解性であり、バイオ1、2の範囲を開発するのに適したユニークな機械的および光学的特性を有しています。そのような濃縮された鉱酸加水分解プロセスを使用して、3-8または酸化法9-としてによる非リサイクルまたは処理剤の不十分なリサイクルに純粋な機械的な細動または環境的に持続可能に使用する場合、残念ながら、セルロースナノ材料を製造するための既存の技術は、いずれかのエネルギー集約的です11。また、酸化方法はまた、環境的に毒性コンポを生成することができますリグノセルロースと反応させることによりunds。リグノセルロース - したがって、セルロースナノ材料を製造するための緑の製造技術を開発することが豊富で再生可能な素材を最大限に活用することが非常に重要です。
ヘミセルロースを溶解し、セルロースを解重合するために酸加水分解を使用すると、セルロースナノ材料を製造するための効果的なアプローチです。固体酸は、酸回収12,13を容易にするという利点を有するセルロースから糖産生のために使用されてきました。濃縮された鉱酸を用いた以前の研究は、より低い酸濃度は、CNC収率と結晶3,5が向上することを示しました。これは、より穏やかな酸加水分解は、CNF 3、14との一貫生産とCNCのアプローチを使用してプロパティおよびセルロースナノ材料の歩留まりが向上する可能性がありながら、強い酸がセルロース結晶に損傷を与える可能性があることを示唆しています。ここでは、な生産を濃縮固体のジカルボン酸の加水分解を用いた方法を文書化CNF 15とともに電子CNC。これらのジカルボン酸は、低い又は周囲温度で低い溶解度を有し、したがって、それらは容易に成熟した結晶化技術によって回収することができます。それらはまた、沸騰または圧力容器を用いることなく、濃酸加水分解を促進する高温での良好な溶解性を有します。これらの酸はまた、CNC製造のために使用される典型的な無機酸よりも高いpKaを有し、良好なCNC結晶化におけるそれらの使用の結果、下CNC収率にもかかわらず、繊維状セルロース固形残渣（FCSRまたは部分的に加水分解された繊維）のかなりの量が原因で残っているので不完全なセルロース解重合。 FCSRは、低エネルギー入力を使用して、後続の機械的解繊を通してCNFを製造するために使用することができます。鉱酸を使用することと比較してそのため、糖へのセルロースの損失は最小です。
よくカルボン酸はフィッシャーSpeierのエステル16を介してセルロースをエステル化することが知られています。セルロースにカルボン酸を適用すると、我々は以前に15を示しとしてカルボキシルCNCとCNFを生成するために、半酸未架橋のエステル17（またはカルボキシル化）をもたらすことができます。ここで説明する方法は、比較的簡単で、高い化学的回復を有し、かつ低エネルギー入力を使用しながら、漂白または無漂白のいずれかパルプからも高結晶性であるカルボキシル化および熱的に安定CNFとCNCを生成することができます。
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Protocol
注：漂白ユーカリクラフトパルプ（BEP）および商業的供給源からの未晒混合広葉樹クラフトパルプ（UMHP）繊維は、CNCとCNFを製造するための原料として使用しました。購入した市販マレイン酸が加水分解に使用しました。加水分解条件は、それぞれ、BEPおよびUMHPために、60分及び120分間120℃（大気圧でない沸騰）を100℃で60重量％の酸濃度でした。
濃縮ジカルボン酸溶液の調製
- 加熱板に約85℃で液体グリセリン浴中で多口フラスコ中で脱イオン（DI）水熱40ミリリットル。
- 磁気撹拌しながら60重量％の溶液を作るためにフラスコに60グラムの無水マレイン酸を追加します。以前に報告された15酸溶液の濃度を使用して、特定の質量濃度の酸溶液を製造するための水および酸の必要量を計算します。
- ドへの解決策を熱し100または120°C（高いジカルボン酸濃度に無沸騰）の産ま加水分解温度。
2.加水分解反応
- 酸性溶液が温度になると、連続的に攪拌しながら80 mLのジカルボン酸溶液（1.1）にBEPまたはUMHP繊維の10グラムのオーブン乾燥（OD）を追加します。
- 80℃の脱イオン水160ミリリットルを添加することによって加水分解を終了する前に60分の所定の反応時間の終了時に酸加水分解物（約2mL）中のアリコートを取ります。
- 砂糖のためにサンプリングされた加水分解物の0.5 mLで希釈し、酸濃度が分析します。 15室温までクークーながら結晶化が起こっているために、残りの加水分解物のサンプルを観察します。
- ブフナー漏斗中の濾紙を用いた真空濾過によって加水分解されたパルプから加水分解物を分離します。
注：この分離は、温度が下がる前にかなり早く発生することが必要と酸があることジンが溶液から結晶化します。酸性溶液、CNCの加水分解凝集体で生成され、FCSR残差に滞在から高いイオン強度のために。酸の80〜90％が濾液と削除されます。
3. CNC分離
- DI水を用いて、セクション2から濾過した固体を洗浄し、脱イオン水で約1％の全固形分に希釈します。 10分間、11960×gでろ液を遠心。
- 上清をオフにデカント。上清が濁ってまで、新鮮なDI水を用いて洗浄し、ろ過プロセスを繰り返します。濁度は、CNCが分散したコロイドになることを開始するために、溶液のイオン強度が十分に低下していることを示しています。
- 落ち着い加水分解されたパルプ（2.3）と濁った上清を混ぜます。液体の導電率は、脱イオン水のこと近づくまでDI水を用いて透析袋（MWCO 14 kDaの）中混合物を透析。電気伝導度計を使用して導電率を測定。
- 遠心分離、水相中にCNC分散液を得るために10分間、3,500×gで透析した試料はCNFの生産のために、 すなわち 、FCSRを沈殿物の位相を保持します。
- COD法を用いた分散液中のCNCの測定量からCNC収量を決定するには、18は、以前に3について説明しました 。
4. CNF生産
- CNC分散液を分離した後に重量測定により沈殿しFCSRの収量を決定します。 105℃でFCSRを乾燥させ、使用BEPまたはUMHP繊維の初期オーブン乾燥重量にFCSRの相対的なオーブン乾燥重量を測定します。
- 機械的に連続してすべては100MPaで、87ミクロンのオリフィスチャンバを通って2回続いて200μmのオリフィスチャンバを通して懸濁液を3回通過させることにより、0.5％の繊維懸濁液でFCSRをフィブリル化。
5.原子間力顕微鏡（AFM）イメージング
- 超音波処理は約0.01重量％CNCまたはCNFの2分間uspensions。マイカ基板上に分散した懸濁液の滴を付着させます。周囲温度で堆積された懸濁液を空気が乾燥します。
- 製造業者のプロトコルを使用してタッピングモード振動で空気乾燥のCNCとCNFのAFM像を取ります。直径と長さの分布を得るために、市販のソフトウェアを用いて、約100個々のCNCまたはCNFのAFM像を分析します。
6.フーリエ変換は、推定される（FTIR）測定を変換します
- エステル基を識別するために、元のBEPとUMHP繊維とともに、得られたCNCとCNFのサンプルを分析するために、ユニバーサル減衰-全反射（ATR）プローブを用いて商用FTIR分光光度計を使用してください。
- 450の間の波長範囲内のサンプルの吸収スペクトルを記録- 4,000 cm -1で4 cm -1で、各サンプルについて4スキャンの解像度を有します。
7.電気伝導度滴定
- 資格に電気伝導度滴定を使用してください試料のカルボキシル基含有量ntifyジカルボン酸によりエステル化から生じます。
- 1 mMのNaCl溶液120mLの中にCNC装置またはCNFの50mgの（OD）とのCNCやCNFサスペンションを追加します。 30秒間隔で2mMのNaOH溶液の約0.2ミリリットルを添加することにより混合物を滴定します。
- 電気伝導度計を使用して導電率を測定します。 NaOHを添加の過程で導電率曲線上の変曲点（最低点）を見つけます。
- NaOH溶液（モル/ L）の濃度であるCに次の式を用いて変曲点まで消費のNaOH相対に基づいてカルボキシル基（ミリモル/ L）の量を計算し、Vを添加し、NaOH溶液の体積（ミリリットル）、mは ODの重量（g）でのCNCまたはCNFの質量です。
8. CNCとCNF熱安定性の決意
- トンの熱分解測定を行います熱重量分析（TGA）によって、CNCとCNFサンプル彼。
- 任意の望ましくない酸化分解を防止するために、20mL /分で、高純度の窒素流を用いて加熱炉をパージします。試験前に4時間、50℃でサンプルを乾燥させます。乾燥重量で5ミリグラムのサンプルサイズを使用します。
- 炉温は、10℃/分の加熱速度で周囲温度から600℃まで上昇するように試料の重量を記録します。
- 初期重量で測定された重量損失を正規化します。
- 105℃のオーブンでCNCとCNFサンプルの別々の熱安定性試験を実施しています。従来の写真撮影で4および24時間後にサンプルの色の変化を記録します。
9. X線回折
- プレス前述したようにペレットを作るためには180MPaでCNCやCNFサンプルを凍結乾燥しました。 38から10の2θの範囲でX線回折計でのCu-Kα線を使用して、ペレットの5行動広角X線回折測定0.02°のステップで°。
- （ベースライン減算なし）シーガル法19を用いて、ペレットの結晶化度指数（CRI）を計算します。
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Representative Results
フィード酸加水分解繊維の対応するSEM画像と共にBEPとUMHPからCNCとCNFの典型的なAFM画像は、 図1および図 2に示されています。画像は明らかに繊維径（1B、および図2bと図2aと図1aの比較）における最小の変化で酸加水分解することによって繊維長の大幅な減少を示しています。短縮繊維長はまた、加水分解された繊維の重合の測定セルロース度（DP）で反射されました。 DPは、それぞれ、BEPとUMHPのために、319と342に1021と806から減少しました。加水分解された繊維から単離されたCNC装置は、典型的な長さのCNCは文献5において引用製造濃硫酸の直径と比べて比較的長い長さ及びより厚い直径を有していました。これはおそらく、マレイン酸の強度が弱いためです。 AFM IMAによって測定した平均CNCの長さと直径GEはそれぞれ、239および図1c及び2cに示す二つのサンプルのための33ナノメートル、336と39 nmでした。
マレイン酸の弱い強度は、それぞれ、BEPとUMHPから、実質的に低いCNCの1.8％の収率および5.5％となりました。しかし、残りの固体は、 すなわち 、FCSRは、依然として有用性を有するとCNFとCNCの一貫生産を達成するために、後続の機械的解繊を通してCNFを製造するために使用しました。 CNC収率は以前に15実証されるように、より厳しい反応条件を使用することによって増加させることができます。用途および経済に応じて、重大度がCNF比に所望のCNCに適応するように調整することができます。
実際に（1D、および2Dと図2Cと図1cの比較）とそれらの対応のCNCより薄い直径を持ちながらたCNFは、AFM像の測定に基づいて、非常に長い長さを有していました。それこれらのCNFのは、複合アプリケーションにおけるポリマー補強のために理想的であろうと感じています。
図1：生産漂白クラフトユーカリパルプ（BEP）繊維とセルロースナノ材料のSEMとAFM像。 BEP繊維の（a）の SEM像。 （B）酸のSEM像を加水分解BEP繊維状セルロース固形残渣（FCSR）。 （C）（のCNC）BEPナノ結晶のAFM像。 （D）BEPセルロースナノフィブリル（のCNF）のAFM像。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2：生産未晒クラフト混合広葉樹パルプ（UMHP）繊維とセルロースナノ材料のSEMとAFM像。 </ strong>の（a）は UMHP繊維のSEM像。 （b）は酸のSEM像が加水分解UMHP繊維状セルロース系固体残渣（FCSR）。 （c）は UMHPナノ結晶（のCNC）のAFM像。 （D）UMHPセルロースナノフィブリル（のCNF）のAFM像。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
マレイン酸の加水分解からCNC試料の厚いCNC直径は、上述のように、それらの長い長さにもかかわらず、それぞれ、BEPおよびUMHPからCNC装置のために、中程度の平均アスペクト比が7.24と8.53になりました。 CNFは、それぞれのCNCよりも長い長さとそれぞれBEPとUMHP、からのCNCのための13.9および19.0の大きなアスペクト比をもたらしたシンナー直径、、、両方の大きなを持っていました。なお、本研究でマイクロ流動化に使用される圧力は非常に低かったように、アスペクト比を改善するために、CNFの直径を減少させるために厳しい機械的な解繊を使用することが可能です。
リグニン粒子はUMHPからCNCサンプルに見えました。リグニンはまた、化学的にCNC粒子に結合すべきです。様々なアプリケーションのための今後の研究に表面疎水性にリグニンの効果を見るのは興味深いだろう。
カルボキシル基の存在のために、CNC試料は容易であったdispersiblE水性処理が容易図1C及び図2Cに示します。ゼータ電位によって測定された表面電荷はそれぞれ、BEPとUMHPからCNC装置のために、-13および-34 mVでした。
CNCとCNFサンプルの熱安定性は、供給繊維に見られるものと同様でした。これは、複合材料製造のための押出しなど高温での熱処理を必要とするアプリケーションのために重要です。改善された熱安定性が改善された結晶性に起因するものでした。
次のようにプロトコルにおける重要なステップです。所望の濃度（セクション1）の酸溶液を調製して、所望の濃度の酸性溶液を作るために必要な塩の量を計算するために我々の初期の研究15に提示濃度データを使用する必要があります。 CNC分離（セクション3）は、遠心分離および濾過の複数のステップを必要とすることができます。透析はCNC PAを分離するために必要とされていますrticles。
セルロースナノ材料を製造するための提示方法はまた、非木材リグノセルロース材料に適しています。この方法は比較的簡単です。トラブルシューティングは、上記の重要なステップが正しく行われていることを確認することに焦点を置くべきです。
従来の無機酸加水分解または酸化処理と比較して、本プロセスの重要性（1）得られたCNCとCNFは、熱的に安定であり、セルローストップ糖（2）最小の損失。また、酸は、容易に環境の持続可能性を実現し、製造コストを低減するために再利用することができます。酸化法と比較した場合、酸を触媒として使用されるように製造すべき潜在的に有害な製品が存在しません。
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Disclosures
Chenと朱はCNCとCNF製造するためのジカルボン酸を用いた米国特許出願の共同発明者です。
Acknowledgments
総統、陳、と王は博士号を訪問している間、この作業を行いました米国森林サービス、林産物研究所（FPL）、ウィスコンシン州マディソン、と朱の政府の公式時間にの学生。この作品は、部分的に米国農務省農業・食品産業技術総合研究イニシアティブ（AFRI）競争グラント（第2011-67009-20056）、中国国家林業局（プロジェクト号2015-4-54）、国立自然科学財団によってサポートされていました中国（プロジェクト番号31470599）、中国の広州エリートプロジェクト、中国奨学金基金。これらのプログラムからの資金調達が可能FPLで総統、陳、および王の訪問予定を作りました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Bleached eucalypus pulp | Aracruz Cellulose | ||
| Unbleached mixed hardwood kraft pulp | International Paper | ||
| Maleic acid | Sigma-Aldrich | M0375-1KG/CAS110-16-7 | Powder; assay: 99.0% (HPLC) |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-4L/CAS56-81-5 | |
| Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8 | Certified ACS |
| Sodium chloride | Mallinckrodt | 7581-12/CAS7647-14-5 | Crystal,AR |
| Cupriethylenediamine solution | GFS Chemicals | E32103-1L/CAS14552-35-3 | 1 M, for determination of solution viscosity of pulps |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-500/CAS67-64-1 | Certified ACS |
| Accu-TestTM Vials for COD Testing | Bioscience,Inc. | 01-215-28 | COD testing for 20 to 900 mg/L standard range concentration |
| Heating plate | IKA | Mode: C-MAD HS7 digital | |
| Magnetic stir bar | ACE Glass | ||
| Pyrex three-neck round-bottom flask | Sigma-Aldrich | CLS4965B500-1EA | |
| Dialysis tubing cellulose membrane | Sigma-Aldrich | D9402-100FT | Typical molecular weight cut-off = 14,000 kDa |
| Disposable aluminum dishes | Sigma-Aldrich | Z154857-1PAK | Circles, 60 mm |
| Disintegrator | Testing Machines Inc.(TMI) | ||
| Microfluidizer | Microfluidics Corporation | ||
| Sonicator | Qsonica LLC. | Mode: 3510R-MT, 50-60 Hz, 180 W | |
| Zeta potential analyzer | Brookhaven Instruments Corporation | ||
| FTIR | PerkinElmer | ||
| Conductometric titrator | Yellow Springs Instrument (YSI) | ||
| TGA analyzer | PerkinElmer | ||
| X-ray diffractometer | Bruker Corporation | ||
| AFM imging | AFM Workshop | ||
| SEM imaging | Carl Zeiss |
References
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