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Chemistry

热稳定和羧基化纤维素纳米晶和纳米原纤维使用高度可回收的二元羧酸绿色和低成本生产

doi: 10.3791/55079 Published: January 9, 2017

Summary

在这里,我们证明了使用高度可回收固体二羧酸高度热稳定的和羧化的纤维素纳米晶体(CNC)和纳米原纤维(CNF)的绿色和可持续的生产的新方法。

Abstract

这里,我们证明成本潜在的低使用高度可回收的二固体酸的漂白桉木浆(BEP)和未漂白混合阔叶牛皮浆(UMHP)纤维高的热稳定性和羧基化纤维素纳米晶(CNC控制器)和纳米原纤维(CNF)的绿色生产。典型的操作条件为50的酸浓度 - 70%(重量)在100℃下60分钟和120分钟120℃(在大气压下没有沸点),对BEP和UMHP分别。所得的CNC具有较高的热降解温度比其相应的原料纤维和羧酸基含量为0.2 - 0.4毫摩尔/克。低强度(1.0高pKa值 - 3.0)有机酸也导致约为239两种长度更长的CNC - 336纳米和更高的结晶度比使用的CNC无机酸产生的。纤维素损失糖是最小的。从二羧酸水解纤维状的纤维素固体残余物(FCSR)被用来通过与低能量输入随后的机械颤动产生羧基化的CNFs。

Introduction

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经济的可持续发展,不仅需要使用的是可再生和可生物降解原料,但也使用绿色环保的制造技术,生产出各种从这些可再生原料的生物制品和生化的。纤维素纳米材料,如纤维素纳米晶体(CNC)和纤维素纳米原纤维(CNF),从可再生的木质纤维素生产可生物降解的和具有适于显影的范围内的生物制品1,2的独特的机械和光学性能。不幸的是,用于制造纤维素纳米材料的现有技术或者是能量密集型的使用纯机械开纤或环境不可持续由于非回收或处理的化学品,回收不足时,例如使用浓无机酸水解过程3-8或氧化方法9-当如11。此外,氧化的方法也可以产生对环境有毒的COMPO与木质纤维素反应unds。因此,发展绿色制造技术用于生产纤维素纳米材料是非常重要的,充分利用丰富的和可再生的材料 - 木质纤维素。

用酸水解,溶解半纤维素和解聚纤维素是用于制造纤维素纳米材料的有效途径。固体酸已被用于糖产量从纤维素与缓和酸回收12,13的优点。用浓无机酸以前的研究表明,低级酸浓度提高数控收率和结晶3,5。这表明,强酸可能损坏纤维素结晶而温和的酸水解可能是通过综合生产和数控与CNF 3,14的办法提高了性能和纤维素纳米材料的产量。在这里,我们使用浓度固体二元酸水解全国生产记录的方法ËCNC与CNF 15一起。这些二羧酸具有在低温或环境温度下的溶解度低,因此,它们可通过成熟结晶技术很容易地回收。它们也具有在高温下便于浓酸水解未经煮沸或使用压力容器良好的溶解性。因为这些酸也有较高的pKa比用于数控生产典型的无机酸,它们的使用效果良好的数控结晶度,尽管低级数控产率,与纤维状的纤维素固体残余物的显着量(FCSR或部分水解的纤维)剩余由于不完整的纤维素解聚。该FCSR可使用低能量输入,通过后续的机械开纤生产CNF。因此,与使用无机酸纤维素损失为糖是最小的。

它公知的是羧酸可以通过费- Speier酯化16酯化纤维素。施加二羧酸与纤维素可导致半酸未交联的酯17(或羧化),以产生羧基化CNC和CNF为我们证实15先前。这里介绍的方法可以产生羧基和热稳定CNF和数控,这也是无论从漂白或未漂白纸浆高度结晶,同时具有相对简单和高化学品回收和使用低能源投入。

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Protocol

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注意:漂白桉木浆(BEP),并从商业渠道漂白混合阔叶牛皮浆(UMHP)纤维作为原料用于生产CNC和CNF。购买的商业马来酸被用于水解。水解条件为:60重量%的酸浓度,在100℃进行60分钟和120分钟120℃(在大气压下没有沸点),对BEP和UMHP分别。

1.浓二元酸溶液的制备

  1. 热40毫升在加热板上于约85℃的液体甘油浴去离子在多颈烧瓶(DI)水。
  2. 添加60克无水马来酸到烧瓶中,使用磁力搅拌的60%(重量)溶液。使用酸溶液的先前报道15的密度,计算所需的水和酸量为使得在指定的质量浓度的酸溶液。
  3. 加热该溶液到解100或120℃sired水解温度(不沸腾由于高二元酸的浓度)。

2.水解反应

  1. 一旦该酸溶液是在温度,添加的BEP或UMHP纤维为10克烘干(OD)与连续搅拌80毫升二羧酸溶液(1.1)。
    1. 通过加入80℃的去离子水160毫升终止水解之前采取在60分钟的规定的反应时间结束时的酸水解产物(约2毫升)的等分试样。
  2. 稀释0.5毫升抽样水解糖和酸浓度分析。 15观察结晶发生,同时咕咕至室温剩余水解产物样品。
  3. 通过在布氏漏斗用滤纸真空过滤分离从水解纸浆的水解产物。
    注:此分离所需要的温度下降之前相当快发生,而酸轧花结晶出来的溶液。由于从酸溶液中高离子强度,CNC的产生的水解凝聚和留在FCSR残差。约该酸的80-90%会与滤液中除去。

3.数控分离

  1. 从洗净2节使用去离子水滤出的固体并稀释至用去离子水大约1%的总固体。离心滤液在11960×g离心10分钟。
  2. 滗掉上清液。重复使用新鲜的DI水,直到上清液是浑浊的洗涤和过滤过程。浊度表示该溶液的离子强度已经降至足够使CNC分散并开始变得胶体。
  3. 混合与结算水解浆(2.3)浑浊的上清液。透析的透析袋(MWCO 14 kDa)的使用去离子水,直到该液体的导电率接近于DI水的混合物中。采用电导仪测量电导率。
  4. 离心机在3500×g离心10分钟,得到在水相中数控分散体中的透析样品。保留沉淀相, FCSR,为CNF生产。
  5. 确定来自数控使用是COD方法分散液中的测定量的数控收率先前描述3,18。

4.生产CNF

  1. 分离CNC分散后确定沉淀FCSR由重力测量产量。干燥在105℃的FCSR并测量FCSR相对BEP或UMHP纤维使用的初始烘干重的烘箱干燥重量。
  2. 通过连续传递悬浮液3次通过200微米的孔室随后2次通过87微米的孔室,所有在100兆帕机械原纤化在0.5%的纤维悬浮液的FCSR。

5.原子力显微镜(AFM)成像

  1. 超声处理约0.01%(重量)CNC或CNF小号uspensions 2分钟。沉积分散悬浮液的云母基板上的下降。风干在环境温度下沉积的悬浮液中。
  2. 取风干的CNC和的CNFs的AFM图像中振动使用制造商的协议轻敲模式。分析使用商业软件获得的直径和长度分布大约100个独立的CNC或在的CNFs原子力显微镜图像。

6.傅立叶变换推断(FTIR)测量

  1. 使用商业红外分光光度计通用的衰减,全反射(ATR)探头来分析产生的CNC和CNF样品与原BEP和UMHP纤维识别酯基团一起。
  2. 记录样品的吸收光谱在450之间的波长范围内- 4000厘米-1的4 -1和4扫描每个样品的分辨率。

7.电导滴定

  1. 使用电导滴定至QUAntify羧基样品组内容源于酯化由二羧酸。
  2. 添加数控或CNF悬浮液与50mg(OD)的CNC或的CNFs的成1的120毫升的20mM NaCl溶液。通过以30秒的间隔将约0.2毫升2mM的NaOH溶液滴定该混合物。
  3. 测量使用电导计的导电性。加入NaOH过程中找到的电导率曲线拐点(最低点)。
  4. 计算基于所消耗的NaOH相对于使用以下等式其中c是NaOH溶液(摩尔/升)浓度的拐点上的羧基量(mmol / L)的量,v是加入NaOH溶液体积(毫升),m为CNC控制器或的CNFs的外径重量(克质量)。
    方程

8. CNC和CNF热稳定性测定

  1. 进行的t热降解测量他CNC和CNF通过热重分析(TGA)的样品。
  2. 清除用高纯度的氮气流炉以20毫升/分钟,以防止任何不希望的氧化分解。干燥的样品在50℃下进行测试之前4小时。在干重使用的5毫克样品尺寸。
  3. 记录样品的重量为炉温以10℃/分钟的加热速率上升,从室温至600℃。
  4. 正常化由初始重量所测量的重量损失。
  5. 进行CNC和CNF样品的单独的热稳定性测试中,在105℃的烘箱。后4小时和24小时通过常规的摄影记录样品的颜色变化。

9. X射线衍射

  1. 按冻干数控或CNF样品在180兆帕如前所述使粒料。 38 - 5行为广角上使用在102θ范围内的X射线衍射装置的Cu-Kα射线的粒料的X射线衍射测量在°0.02°步骤。
  2. 计算使用西格尔方法19的粒料的结晶度指数(CRI)(无基线减法)。

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Representative Results

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与进料酸水解纤维对应SEM图像沿着从BEP和UMHP CNC和CNF的典型的AFM图像示于图12。该图像清楚地表明在纤维长度的大幅度减少通过酸水解,在纤维直径变化最小( 图1a1b中的比较,以及图2a2b)的 。缩短的纤维长度也被聚合的水解纤维的测量纤维素度(DP)的反射。 DP分别降低从1021和806至319和342,对于BEP和UMHP。与典型的长度和产生的CNC文献5列举的浓硫酸的直径相比,从水解的纤维分离的CNC具有相对较长的长度和更厚的直径;这或许是由于马来酸的实力弱。平均CNC长度和直径由AFM测量伊马戈是239和33纳米,336以及用于分别在图1c2c,示出的两个样品39纳米。

马来酸的实力弱也导致了1.8%,相当低的数控率和5.5%的BEP和UMHP分别。然而,剩下的固体, FCSR,仍然具有实用性,并用于通过随后的机械开纤,以产生CNF实现与CNF集成生产数控的。数控产量可以通过使用更严格的反应条件如前面15表明增加。取决于应用和经济性,严重程度可以调整,以适应所需的数控到CNF的比例。

所述的CNFs具有基于AFM图像测量,而实际上具有比其相应的的CNC如(为1d比较图1c2c2d)的较薄的直径很长的长度。它感觉到这些CNF的将是理想的复合应用聚合物加固。

图1
图1:漂白牛皮纸桉树纸浆的SEM和AFM图像(BEP)纤维和纤维素纳米材料制造。 )BEP纤维的SEM图像; (b)该酸的SEM图像水解的BEP纤维状的纤维素固体残余物(FCSR); ( )BEP纳米晶体(CNC设备)的原子力显微镜图像;在BEP纤维素纳米原纤维(的CNFs)( )AFM图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2:未漂硫酸盐混合硬木纸浆的SEM和AFM图像(UMHP)纤维和纤维素纳米材料制造。 </ STRONG>( )UMHP纤维的SEM图像; (b)该酸的SEM图像水解UMHP纤维状的纤维素固体残余物(FCSR); ( )UMHP纳米晶体(CNC设备)的原子力显微镜图像; ( )AFM的UMHP纤维素纳米原纤维(的CNFs)的图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

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从马来酸水解数控样品的较厚数控直径导致了中等平均纵横比7.24和8.53,对于CNC控制器从分别的BEP和UMHP,尽管它们的长的长度,如上所述。所述的CNFs具有比各自的CNC较长的长度和更薄的直径,这就造成了13.9和19.0纵横比大,为的CNC从分别的BEP和UMHP,都大得多。它可以使用剧烈的机械原纤化,以减少CNF直径来提高宽高比如在本研究中微流化所用的压力是相当低的。

木质素颗粒可见从UMHP数控样本。木质素还应化学结合的CNC颗粒。这将是有趣地看到用于各种应用木质素的上表面疏水性在将来的研究的效果。

由于羧基的存在时,CNC样品容易dispersiblE在图1c2c,从而有利于水法工艺,如图所示。 Zeta电位测定的表面电荷分别为-13和-34 mV时,对数控系统的BEP和UMHP。

CNC和CNF样品的热稳定性类似于那些在原料纤维中。这对于诸如挤出复合生产需要在升高的温度下的热加工应用是重要的。改进的热稳定性归因于改进的结晶性。

在协议中的关键步骤如下。具有所需浓度(部分1)的酸溶液的制备,需要使用在我们的早期工作15提出的密度数据来计算使所需浓度的酸溶液所需的盐的量。数控分离(第3节),可能需要离心和过滤的多个步骤。需要透析分离数控PArticles。

用于制造纤维素纳米材料所呈现的过程也适用于非木质木质纤维素材料。该方法相对比较简单。故障排除应集中在确保上述关键步骤正确进行。

本方法与传统的矿物酸水解或氧化工艺相比的意义是:(1)将所得的CNC和CNF的是热稳定的;(2)纤维素顶部糖的损失最小。另外,酸可以容易地再循环到实现环境可持续性,降低生产成本。有当与氧化方法相比,该酸作为催化剂使用,以产生无潜在有害的产品。

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Disclosures

陈和朱是使用CNC和CNF生产二元酸的美国专利申请的共同发明人。

Acknowledgments

这项工作是卞的同时,陈,王均博士来访进行学生在美国林务局,林产品实验室(FPL),麦迪逊,并在朱的政府官方时间。这项工作是部分由美国农业部农业和食品研究计划(AFRI)竞争性赠款(2011-67009-20056号),中国国家林业局(项目编号:2015-4-54),国家自然科学基金资助中国(项目编号:31470599),中国广州精英项目,以及中国奖学基金。从这些项目的资金在FPL可能做边,陈,王来访的任命。

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

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References

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Bian, H., Chen, L., Wang, R., Zhu, J. Green and Low-cost Production of Thermally Stable and Carboxylated Cellulose Nanocrystals and Nanofibrils Using Highly Recyclable Dicarboxylic Acids. J. Vis. Exp. (119), e55079, doi:10.3791/55079 (2017).More

Bian, H., Chen, L., Wang, R., Zhu, J. Green and Low-cost Production of Thermally Stable and Carboxylated Cellulose Nanocrystals and Nanofibrils Using Highly Recyclable Dicarboxylic Acids. J. Vis. Exp. (119), e55079, doi:10.3791/55079 (2017).

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