Nanocellulose、リグニンから製造自立フィルム、合成ポリカチオン:Biomimickingウッドに向けて

Chemistry

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Summary

本研究の目的は、nanocelluloseフィブリル、希水性懸濁液から組み立てられた単離されたリグニンのレイヤーバイレイヤーアセンブリを使用して合成植物細胞壁組織を形成することであった。水晶振動子マイクロバランスおよび原子間力顕微鏡の表面測定技術は、ポリマー - ポリマーナノ複合材料の形成をモニターするために使用した。

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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).

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Abstract

木質材料は、多糖類およびリグニンの構造ポリマーからなる層状の二次細胞壁を含有する植物の細胞壁から構成されている。水溶液からの反対に荷電した分子の集合に依存するレイヤー·バイ·レイヤー(のLbL)組立工程は、リグニンおよび酸化ナノフィブリルセルロース(NFC)の単離された木材ポリマーの自立複合フィルムの構築に使用した。これらの負に荷電したポリマー、正に荷電した高分子電解質、ポリ(diallyldimethylammomiumクロライド)(PDDA)の組み立てを容易にするために、この単純化モデル細胞壁を作成するための連結層として使用した。層状吸着プロセスを散逸モニタリング(QCM-D)およびエリプソメトリで水晶振動子マイクロバランスを用いて定量的に研究した。結果は、吸着層あたりの層の質量/厚さは、層の総数の関数として増加することを示した。吸着された層の表面被覆率は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて研究した。全ての堆積サイクル中のリグニンを有する表面の完全な被覆がシステムで発見されたが、NFCによる表面被覆率は、層の数とともに増加した。吸着プロセスは、セルロースアセテート(CA)基板上に250サイクル(500二重層)を行った。 CA基板は後でアセトンに溶解したときに透明な自立LBL組み立てられたナノコンポジット薄膜が得られた。骨折した断面の走査電子顕微鏡(SEM)は、ラメラ構造を示し、吸着サイクル(PDDA-リグニンPDDA-NC)あたりの厚みは、研究で使用される2つの異なるリグニンのタイプの17nmであると推定された。データはnanocelluloseとリグニンが空間的に天然の細胞壁において観察されるものと同様のナノスケール(ポリマー - ポリマーナノ複合材料)上に堆積される高度に制御された構造を有する膜である。

Introduction

光合成の際に植物が炭素固定は、現在のCO 2サイクルの一部であるとして、バイオマスから追加の化学物質や燃料を導出するのに最適な関心が寄せられている。隔離された炭素(42から44パーセント)の大部分はセルロースの形態、β-1-4結合したグルコピラノース単位から構成されるポリマーであり;加水分解したとき、グルコースはアルコール系燃料に発酵のための主要な反応物として用いることができる。しかし、木本植物の細胞壁のアーキテクチャは、自然環境1における分解に耐性である材料を作成千年進化してきた。この安定性は、このようなアクセスにセルロースを困難にエネルギー作物としての木質材料の工業的加工に引き継が隔離し、グルコースに分解。二次細胞壁の微細構造を詳しく見て、それは、リグニンと裾の非晶質マトリックスに埋め込まれた層状の準結晶セルロースミクロフィブリルからなる高分子ナノ複合材料であることが明らかになったicelluloses 2-4。長手方向に配向されたセルロースミクロフィブリル束は、5より大きな単位を形成するために、他のヘテロポリサッカライドと一緒に集約され、約2〜5ナノメートルの直径を有する。線維束はglucoronoxylan 4のような他のヘテロ多糖にはいくつかの結合を有するフェニルプロパノール単位の非晶質ポリマーからなるリグニンヘミセルロース複合体に埋め込 ​​まれている。さらに、この構造は、さらに木質化、二次細胞壁6-8を通して、レイヤー、またはラメラで構成されています。酵素は、セルラーゼのように、それはそのフィブリル形で発見され、リグニンに埋め込まれているように、細胞壁内のセルロースへのアクセスが非常に困難な時期を持っている。本当にバイオベース燃料や再生可能化学プラットフォームを現実のものの核心は、経済的に、その天然の形態で、セルロースの糖化を可能にするプロセスを開発することである。

新規化学およびイメージング技術は、STで支援しているセルロース9,10の糖化に関与する機構のUDY。多くの研究は、細胞壁の化学組成および形態学を研究するために、ラマン共焦点画像11および原子間力顕微鏡12を中心にしている。密接に脱リグニンおよび糖化のメカニズムに従うことができることは、グルコースへのセルロースの転換に影響を与える、重要な一歩である。モデルのセルロース表面の糖化が散逸モニタリング(QCM-D)13を有する水晶振動子マイクロバランスで酵素速度論的速度を測定することにより分析した。しかしながら、上記のように天然の細胞壁は非常に複雑であり、これは、変換プロセスは、植物細胞壁の構造(ポリマー分子量、化学結合、気孔率)を変更するどのように異なるの曖昧さを作成する。既知の構造組成を有する細胞壁物質の自立モデルは、この問題に対処し、最先端の化学的および想像力にサンプルの統合を可能にするNG機器。

細胞壁モデルの不足、いくつかの利用可能な高分子材料のブレンドとして分類され、セルロース又はバクテリアセルロース14、酵素的に重合されたリグニン-多糖複合体15-17、またはモデル表面18-21を再生することができるとされている。細胞壁に似せて始め一部のモデルでは、リグニン前駆体またはそのミクロフィブリル形でセルロースの存在下で酵素的に重合した類似体を含むサンプルである。しかしながら、これらの材料は、組織化レイヤアーキテクチャの不足に苦しむ。組織化されたアーキテクチャを有するナノ複合材料を作成するための単純な経路は、組織化多層複合フィルム22〜25を形成する相補的電荷または官能基を有するポリマーまたはナノ粒子の順次吸着に基づくレイヤー·バイ·レイヤー(のLbL)組立技術である。のLbLポリマーの堆積とNAによって行われた、高強度のハイブリッドナノ複合材料を自立noparticles、コトフ 26-30で報告されている。多くの他の用途の中でも、のLbL膜はまた、治療送達31と 、燃料電池膜32,33、電池34、及びリグノセルロース繊維の表面改質35-37におけるそれらの潜在的使用のために研究されてきた。セルロースナノスケールでの最近の関心ベースの複合材料は、セルロース繊維の硫酸加水分解、及び正に帯電した高分子電解質38-43によって製造されるセルロースナノ結晶(CNC)のLbLの多層膜の調製および特性につながっている。同様の研究はまた、セルロース海洋tunicinとカチオン性高分子電解質44、CNCとキシログルカン45から得たナノ結晶、およびCNCとキトサン46で行われている。カチオン性高分子電解質とパルプ繊維の高圧均質化によって得られたカルボキシル化nanofibrillatedセルロース(NFCS)のLbL多層の形成は、またされている47〜49を検討した。準備、プロパティ、およびCNC装置やnanofibrillatedセルロースの適用は詳細に50〜53で検討されている。

本研究では、層状構造を持つバイオミメティックリグノセルロース複合第一歩として注文方法で(例えばnanocelluloseやリグニンなどの)単離されたリグノセルロース系ポリマーを組み立てる潜在的な方法としてのLbL技術の検討を必要とする。のLbL技術は、天然の複合体形成のための条件である54、例えば、溶媒として、周囲温度、圧力、および水などの良性の処理条件のために選択した。本研究では、テトラメチルピペリジン1 - オキシル(TEMPO)から、すなわちセルロースミクロフィブリルが自立ラメラフィルムにパルプと分離されたリグニンの酸化を媒介、構成木材成分の多層ビルドアップについて報告する。二つの異なるリグニンは、異なる抽出技術、Oからの1つの技術的なリグニンから使​​用されているrganosolvプロセスをパルプ化、および他のリグニンは、単離の間に小さい変更を加えてボールミルから単離された。これらの化合物は、天然の細胞壁に類似するアーキテクチャを有する安定な自立膜を製造する可能性を実証するために、この初期の研究では、合成高分子電解質と組み合わされる。

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Protocol

1。Nanofibrillatedセルロースの準備55

  1. 2 Lの脱イオン水、オーバーヘッドスターラー、およびpHプローブを使用してセットアップ3 Lの三口フラスコ。
  2. 脱リグニンクラフトパルプ、88%の明るさ(20グラム、1%(重量/体積、乾燥重量ベース))、2,2,6,6 - テトラメチルピペリジン-1 - オキシル(TEMPO)を追加(0.313グラム、0.1ミリモル/ gセルロース)フラスコに、臭化ナトリウム(NaBrを2.0、1ミリモル/ gセルロース)。
    1. 繊維が分散されず、凝集物が反応に見られなくなるまでオーバーヘッドスターラーパルプ繊維を混合する。
      注:分散体は、従来の3 Lフラスコに添加するパルプを水中でスラリーを混合することによって支援することができる。
  3. 徐々に反応混合物に次亜塩素酸ナトリウム(NaClOを51.4 mlのセルロース1g当たり5ミリモル)の12%溶液を添加することによって酸化を開始する。
    注:反応を通して一貫性を保つため、1.5ミリリットル/分の注入速度でのNaClOを配信するために、シリンジポンプを使用しています。
  4. 第2のシリンジのWIを埋める第水酸化ナトリウム(NaOH、0.5 M)および手動計にアルカリ溶液をフラスコに滴下して10±0.2にpHを維持する。
  5. 経時的なpHの変化を監視しておらず、セルロース上のアクセス可能なすべてのヒドロキシル基が酸化されるとpHがもはや低下し、反応が完了した。
  6. 残りのNaClOを消費する余分なエタノールを追加します。 200プルーフエタノールの約6ミリリットルは、元のNaClOのすべての100ミリモルを消費します。
  7. 濾過し、p​​Hが中性になるまで試薬を除去し、精製水で完全に酸化された繊維を洗浄する。繊維を回収するためにブフナー漏斗のようなバスケット型遠心分離機や一部の濾過装置を使用してください。さらに使用するまで4℃で繊維に保管してください。
    注:実験の完了時に、繊維は、繊維1グラム当たり1.0〜1.5ミリモルの間に、電導度滴定法によって決定されるように、カルボン酸含有量を有​​するべきである。 TEMPO酸化後の繊維の外観にはほとんど差があるはずです。
  8. TEMPO酸化されたパルプの3%(W / V、乾燥重量ベース)のスラリーを作成し、スラリーは粘性になり、ブレードがあるため、サスペンションのゲル化空気中に回転し始めるまで、戦国ブレンダーでブレンド。
    注:低濃度のセルロースをフィブリル化するために効果的に機能しません。
    1. 0.1%まで配合したスラリーを希釈(w / v)の懸濁液を透明になるまでブレンドし続ける。

QCM-Dの実験のために2。層ごとの膜堆積

  1. 以下の水性溶液を調製し、10.5のpHを0.1M NaOHで、各ソリューションを調整します。水性緩衝液(水や水酸化ナトリウム); 0.5%(w / v)のポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド(PDDA)の水溶液;および0.01%(w / v)のリグニン。 8.0への0.1%のNFC懸濁液のpHを調整します。
    注:それは以前にリグニンがアルカリ性pH 56で少ない凝集状態で吸着することが示されたので、これらの実験のためのpHを上昇させた。
  2. クリーン金コーティングされた水晶ベースピラニア溶液を使用して、製造業者の推奨以下の[CAUTION](3:1のNH 4 OHを濃縮:60°CでH 2 O 2)を10分間である。
    1. 、精製水で結晶をリンスN 2流中でブロー乾燥し、直ちに空気からの汚染を避けるために、水晶振動子マイクロフローセルに挿入する。
  3. 液体にさらされる共振結晶のベースライン応答を得るために、フローセルをバッファを渡す。
    1. 5分間PDDA溶液に水晶を露出させることにより、水晶上にPDDAの層を堆積させる。
    2. 5分後には、緩衝液に戻す。
      注:ステップ2.3において、このプロセスは、堆積ポリマーの量は、ポリマー溶液粘度の影響を受けずに決定することができる単層の応答を生成する。
    3. バッファrで、次の順序で他のポリマーの吸着を繰り返すInSeに各ステップ間:PDDA(+)(ステップ2.3.1);リグニン( - ); PDDA(+);とNFC( - )。ポリマーおよびナノ粒子の合計16層を堆積させるために4倍のサイクルを繰り返します。

AFMやエリプソメトリー実験のために3。層ごとの膜堆積

  1. 迅速なエポキシ接着剤を用いてガラス顕微鏡スライドにマイカの円形ディスクを接着します。接着剤が硬化した後、雲母ディスクにテープの一部を添付してください。雲母表面を切断することが原因と離れてテープをはがします。
    1. 堆積層に先立って水が大幅にリンスし、20分間:酸ピラニア[注意](H 2 O 2 3時01分、H 2 SO 4)を有するシリコンウェーハを清掃してください。
  2. 2.1で調製した溶液で、ガラススライドまたは2.3.3で概説したプロトコルと同じシーケンスに従って各溶液中の新たに洗浄されたシリコンウエハーに取り付けられている新たに切断した雲母のいずれかを浸す。
    注:この方法では、POのレイヤーを作成しますそれぞれ、AFM又はエリプソメーターに挿入することができるこれらの表面のそれぞれの上lymers。
  3. 画像原子間力顕微鏡で堆積した層。サンプルの画像を収集するときに10 nmの半径のシリコンチップ(バネ定数42 N / m)で断続的な接触モードおよびカンチレバーを使用してください。 、2.5×2.5μmのように特定のサンプル画像を収集するための10の512及び積分ゲインなどのスキャンポイントをスキャンサイズを設定します。
  4. 乾燥したのLbL膜のAFMによる層の厚さを測定するため、軟質プラスチックピペットチップを使用し、雲母表面上の準備のLbL膜の表面全体に行を傷跡。
  5. シリコンウエハー上へのエリプソメトリー測定のための預金LBLフィルム。入射モードの複数の角度を用いて、波長632.8nmにおける位相変調エリプソメータで乾燥膜厚を測定する。 1度の間隔で85°と65°の間の角度を変化させる。

4。自立LBLフィルムの作製に

  1. カットA厚さ0.13mmであり、自動化されたディッパーアームに取り付ける酢酸セルロースの25.4 X 7.6ミリメートルの長方形(CA)膜(DS 2.5)。
    注:DS 3.0のセルロースアセテートのでDSが2.5積層膜を回収することが好ましいアセトンに溶解しない。
  2. ステップ2.1での濃度とpHに応じてPDDA、リグニン、およびnanocelluloseの溶液でそれぞれ500ミリリットルのビーカーを埋める。
    1. 各堆積サイクルのためのリンス液として使用する水性緩衝液でさらに3つのビーカーを埋める。
    2. 2.3.3で報告されたのと同じ順序で進行するディッパーアームをプログラムします。
      注:レイヤーバイレイヤープロセスにおいて、表面に強固に結合していないいくつかのポリマーが脱着するであろうので、それぞれのポリマー溶液を後の異なるリンス液を使用することが重要である。リンス液の交差汚染を迅速にフィルム表面を「欠陥」として吸着可能な高分子電解質複合体の沈殿を引き起こす。
  3. 内の溶液を変更定期的に彼らがいるため、コロイド複合体の曇り現れ始めるように250サイクルの間、ビーカー。オプションでは、新鮮なソリューションを提供し、または入口と出口とのカスタムメイドのポリ塩化ビニル(PVC)の容器にバッファする蠕動ポンプを使用してソリューションの更新を自動化することです。
    注:コンテナ内で攪拌ソリューションは、表面に高分子電解質の拡散性を高めるのに役立ちます。
  4. 慎重に、CAの端部を露出ハサミで乾燥した試料の端をトリミングして、CAを溶解するアセトンで満たされたガラスペトリ皿に置く。
    注:2枚のフィルムは、CAの前面と裏面から、この実験の後に分離されている。
  5. 24時間アセトン中に孤立したフィルムを浸し、残留CAの除去を最大化するために、アセトンで繰り返しフィルムをすすぐ。

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Representative Results

構造化されたウッディポリマーフィルム製造のQCM-Dの分析

リグニン、NFCとPDDAのにLbL吸着はリグニンの2型を含む2つの異なる実験において、QCM-Dでリアルタイムでモニターした。この分析法は、分子が水晶の表面に吸着するときの周波数の変化を検出するのに非常に敏感であり、図1は 、2つの二重層(PDDAを含むつの堆積サイクルにおいて、QCM-D応答の詳細な説明を含んでいます:。HMWL及びPDDAを。 NC)。データは、周波数と7倍音(楽器は基本周波数と3月13日奇数倍音を検出)の散逸での正規化された変化を表している。ベースラインは、第一のカチオン性ポリマー、PDDAの導入に続いて、(バッファと呼ぶ)は、pH 10.5ミリQ水を用いて得た。このポリマー(工程1)の導入は、ΔFの減少、およびΔDの対応する増加と関連している。この応答はattribuですゴールドコーティングされた石英基板と振動結晶と接触している液体のバルク効果の変化にPDDAの吸着の組み合わせテッド。ステップ1は、過剰/未結合ポリマーを除去し、かつ、ポリマー溶液のバルク効果に周波数および散逸応答を打ち消すために緩衝液でリンス工程(工程2)により追跡した。したがって、すすぎは、各ポリマーの吸着工程の後に行われた。ステップ2の後にベースラインからのΔFとΔDの純変動はPDDAの不可逆的吸着によるものです。ステップ3では、リグニン溶液はΔFの減少とΔDの増加に対応するに至った、導入された。ステップ4は、すすぎ工程は、ΔFのわずかな増加を引き起こしたがΔDは、リグニンがPDDA層上に硬質層として堆積されていることを示唆している、変化しないままであったときに、金コーティングされた石英基板と接触している。第二重層、(PDDA:NC)を堆積させるために、PDDA溶液がligni上で再導入されましたN層(ステップ5)。 PDDA溶液の導入は、ΔFがわずかに減少し、ΔDの大幅な増加と関連していた。しかし、初期低下の後、高原に続くΔFが徐々に増加した。バッファリンス(ステップ6)の後に、リグニン層上のPDDAの堆積後ΔFとΔDの純変動は、(ΔF= -31.6 Hzで、ΔD= 1.3×10 -6)は前の層よりもわずかに低いことが判明した(ΔF= -33.2 Hzで、ΔD= 1.7×10 -6)。この変更は、手順3で堆積緩く結合リグニンの部分的な脱離が生じている場合がございPDDAとリグニン56,57の間の強力な相互作用の結果である(下の原子間力顕微鏡のセクションにノートを、リグニンは、システム内に残っている)。ステップ7では、NC懸濁液をΔFの増加とΔDの対応する減少をもたらし、PDDA層に導入されました。リンス工程(工程8)はNCがirreversibされていることを示唆した後に、この変化は不可逆であることが見出されたLY PDDA上に堆積。このサイクル数を超えてΔFとΔD変化が再現可能でないことが判明したため、現在の研究では唯一の4の堆積サイクル(8二重層、4サイクル)を実施した。 図2は、第7倍音のΔFとΔDにおける正規変化を示している4堆積サイクルの後にポリマーPDDA、HMWLとNCの順次吸着した結果。それは、ポリマーの吸着は、他のLBLシステム49,58と指摘されている各二重層を追加したΔFとΔDの線形変化に追従していないことに留意すべきである。 図3に示すNC、PDDAとOL(NC-PDDA-OL)のLBLの吸着は、NC-PDDA-HMWLで観察シーケンシャル吸着プロセスに従うことがわかった。それにもかかわらず、システムは、それぞれの層に堆積したポリマーの正確な量に関して異なることが見出された。これら2つのシステムの違いは、猫のように、使用されるリグニンの種類に起因している用いられるイオン性ポリマーとNCは、両方のシステムで同じであった。

図1
図1。NC-PDDA-HMWLのLBL吸着の第一堆積サイクルに必要な手順の説明。図は、第7次高調波のΔFとΔDにおける正規化の変化を示している。

図2
図2。4の堆積サイクル(8二重層)でのNC-PDDA-HMWLのLBL吸着の結果として、第7高調波の周波数と散逸応答。

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図3。4堆積サイクル(8二重層)でのNC-PDDA -オールLBL吸着の結果として、第7高調波の周波数と散逸応答。

原子間力顕微鏡でイメージングフィルムの蓄積

AFM像はHMWLとOL( 図4)の両方のための最初のPDDA-リグニン二重層中にリグニンを用いて表面を完全に覆うことが明らかになった。 HMWLとOLのためのRMS粗さの値は、それぞれ1.6および3.8 nmとした。第PDDA-NC二重層のAFM像は、表面が完全にNCフィブリルで覆われていないことを示し、2.5×2.5ミリメートルの画像(図5a、RMS粗さが1.6ナノメートル)で散乱NCフィブリルを明らかにした。層のビルドアップが継続しかし、より均一性は、図5b(RMS粗さは5.3nmで)に見られるように、堆積したフィブリルのために見出された。同様の結果が、私たちNC用ΔFが高いサイクル数で大きさが大きく変化したように、QCM-Dデータで見て再。 NC-PDDA-HMWLシステムにおけるNC層のサイクル1と4のJohannsmannsのモデルを用いて推定し、吸着量は、それぞれ、1.11±0.13ミリグラム/ m 2あり 、5.44±1.78ミリグラム/ m 2であった。同様の傾向は、それぞれ、サイクル1と4のための1.15±0.09と5.46±1.79ミリグラム/ m 2の推定のNC質量のNC-PDDA-OLシステムで観察された。これらの推定値は4回の堆積サイクルで堆積NC層の水和塊を、第1堆積サイクルのそれよりも4倍大きいことを示唆している。 NC吸着に関連する質量の増加は、繊維によって作成された多孔質構造中に同伴水に帰することができる。層の厚さの増加に伴って、閉じ込められた水の量の増加は、MFC多層膜48,59を含む系で報告されている。 AFM像は、さらにPDDAのジンジャーブレッドに沿って吸着されたリグニンを表示d個のフィブリルリグニン堆積ステップの後、3サイクル後の画像に見られるように( 図6aおよびb)。

図4
マイカ(5×5程度)でのPDDAの図4のA)のAFM振幅画像、PDDA上B)MWL(2.5×2.5ミクロン)、およびPDDA上のC)オール(2.5×2.5ミクロン)。

図5
図5。PDDA上、NCの高さのイメージ第一の後の(a)3(b)は、堆積サイクル(2.5×2.5ミクロン)。


図6。A)振幅と第四堆積サイクル(2.5×2.5ミクロン)の後HMWLのB)高さのイメージ。画像は第3回の堆積サイクルからNC線維上に堆積されたリグニン粒子を示している。

LBLフィルム自立

自立LBLフィルムは2 PDDA、1リグニン、および1 nanocellulose層を取り入れ、各サイクルで250堆積サイクル後に作成された。セルロースアセテート基板をアセトン( 図7)中に溶解した後、膜を単離した。フィルムの最初の観察は、それが半透明で曲げられるということだった。この2つのプロパティはほとんどの重要なリグニンのロードが含まれているリグニンベースの複合材料に関連付けられていません。フィルム試料を2分間AN液体窒素に浸漬した鉗子の第二の組の曲げ力を加えること、dはサンプルの破裂。 LBLフィルムの冷凍骨折断面のSEMは、ラメラ構造を表示する( 図8aおよびb)を NC-PDDA-HMWL及びNC-PDDA-OL両方の厚さは約4.3μmで、堆積サイクル当たり約17ナノメートルの平均厚さを意味することが見出された。 SEMデータは、QCM-Dの推定値と比較して有意に高い厚さを示している。しかしながら、QCM-D測定は、わずか4回の堆積サイクル(粘弾性による表面への器具の限界に到達する)について行った。 QCM-Dの結果から、層のビルドアップが研究4の堆積サイクルのために直線的でなかったことが注目された。したがってデータは、プラトーにサイクルあたりの厚みの増加のために4つ以上の堆積サイクルを必要と示唆している。

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図7 250の堆 ​​積サイクル後に得られたNC-PDDA-HMWLの自立フィルム。自立膜は、アセトン中の酢酸セルロース基材を溶解した後に得られた。

図8
図8 250の堆 ​​積サイクル後の低温骨折LBLフィルムの断面のラメラ構造を示すSEM画像である。)NC-PDDA-HMWLおよびb)NC-PPDA-OLの自立フィルムは、セルロースアセテート後に得られた基板をアセトンに溶解した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

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Discussion

Nanocelluloseの作製

nanocellulose製造にパルプ繊維が正常に酸化が容易にフィブリル化が必要である。酸化はゆっくりセルロースの量に基づいて、既知量で添加されるべき利用可能な次亜塩素酸ナトリウム、によって制御される。限られた酸化のための一つの理由は、長時間次亜塩素酸ナトリウム溶液の保存から生じる。この還元酸化効率は、反応中に観察することができ;パルプスラリーは、成功した酸化中の反応により淡黄色がかった色、途中を有効にしてください。これが発生しない場合は、繊維のカルボン酸含有量は、通常容易にフィブリル化を有効レベル未満である。

セルロースの1.0ミリモル/ g上記のカルボン酸含有量を有​​する酸化された繊維のフィブリル化はnanocellulose粒子サイズで同様の結果をもたらす別の機械的処理の多くの方法によって行うことができる。 Ultrasonicatiマイクロ流体セルと短期間または均質化のための高出力超音波処理ホーンとの上で酸化繊維をブレンドする選択肢がある。後者はnanocellulose懸濁液のリットルを準備するための経路を提供しながら、前者は、NFC懸濁液以下の200ミリリットルの単一バッチを準備するための経路を提供します。原子間力顕微鏡を用いた過去の実験は、これらのフィブリルは530±330 nmおよび1.4±0.7から60nmの厚さの長さを有することが示されている。

QCM-Dの粘弾性モデル

吸着されたポリマー層の質量および厚さがのSauerbrey関係によって決定することができる。しかし、堆積層が剛性であればメソッドは有効であり、システム全体が複合共振器として実行されます。この制限は、倍音(ΔF/ n)での周波数依存性を監視することによって確認することができる。 図9は 、層数の増加に伴って移動することを示している倍音遠く離れて、厚さが増加するにつれて、フィルムの粘弾性応答は、48未満の剛性である傾向があることを示唆している。厚いまたは粘弾性フィルムについては、フィルムにスルーせん断弾性波の伝播の性質は、結合されたマス61の推定に影響を与えます。したがって、そのような場合、ΔFは、Δmを直接比例しない。また、QCM-Dで推定質量による水分補給と粘性抵抗に接続された水を含むことができることを理解することが重要です。結合された水の量は、吸着された膜の性質に応じて異なるが、典型的には1.5〜4倍の間、吸着材61のモル質量の範囲であることができる。

図9
図9。の結果として、11の奇数次高調波5の周波数応答PDDA、HMWL、及びNCのLBL吸着、層の数が増加するにつれて高調波の周波数依存性を示す。

JohannsmannモデルのSauerbreyモデルの制限を考慮するために用いることができる。この代替モデルは、真の粘弾性層の質量は、ポリスチレン基板62上の高分子電解質複合体、金基板63と、高分子電解質48,49上のミクロフィブリル化セルロース上のタンパク質のような異なるシステムの吸着特性を研究するために使用されている検知され決定されます。 図10は、比較面積質量は、NC-PDDA-HMWLとNC-PDDA-OLシステムのための4堆積サイクルの後Johannsmannモデルと推定。サイクル当たりのサイクルとNCの質量およびリグニン当たり吸着量の値は、それぞれ、 表1及び2に示す。比較から、それは、4つの吸着サイクルの後に吸着された総質量に対して同様であることがわかるNC-PDDA-HMWLとNC-PDDA -オール(それぞれ29.38±2.57および31.78±2.44ミリグラム/ m 2で)の両方。研究し4吸着サイクルからの、最初の2サイクルで吸着しリグニンの質量が2システム間で異なることが見られた。吸着サイクル1および2に吸着さHMWLの質量はほぼ二倍OL( 表2)であった。しかし、サイクル3および4に吸着つの異なるリグニンの質量は類似していた。両方のシステムに吸着されたノースカロライナ州の質量は、NCの質量は、NC-PDDA - オールに吸着し、サイクル2を除いて類似していたNC-PDDA-HMWLよりもわずかに高かった。この差は、サイクル3の初め、2つのシステムのための全質量の同じ量を有するようになった。これらの結果は、最初のサイクル後に複合膜中のリグニンのタイプのアセンブリに多少違いがあることを示唆している。このデータは、モデル植物の壁のLbL膜は異なる生物学的起源及び/又は単離プロトコルのリグニンから作成することができることを示唆している。現在特定の構造の選択リグニンとモデルスタンドアロンの細胞壁材料を作ることができ、他の方法が存在しない。

図10
図10。4堆積サイクルの後JohannsmannのNC-PDDA-HMWL(■)のモデルとNC-PDDA -オール(●)を用いて推定面記録塊。

サイクル# サイクル当たりの質量量(mg / m 2)の 累積質量量(mg / m 2)の
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

表1は、図4の堆積サイクルのためJohannsmannのモデルを用いてQCM-Dデータから推定面記録塊。

1
サイクル# リグニン量(mg / m 2)の Nanocellulose量(mg / m 2)の
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

表2。4堆積サイクル用Johannsmannのモデルを使用してリグニンとNCの面積質量の推定値。

NC-PDDA-HMWLとNC-PDDA -オール( 図11、表3)の4堆積サイクルの後にモデル化されたデータを比較すると、「Johannsmannで観察された同様の傾向を明らかにし;のモデル。最初の傾向は、指定された膜密度境界の2リグニンタイプとフィルムの間の最終厚さの類似性である。千キロ/ m 2の想定密度NC-PDDA-HMWLとNC-PDDA-OLのための4堆積サイクル後の最終厚さは、それぞれ31.5±3.5及び30.4±5.1 nmの、( 図12)であった。 1400キロ/ m 2の想定密度同じのための最終的な厚さは、それぞれ23.4±2.8及び22.1±3.1 nmであった。第二の傾向は、質量推定のために見られるような厚さの変化が2つのリグニンに対して同一である第3のサイクルの開始時に明らかにされる。 PDDA層の厚さがあるためPDDAの吸着後の厚さが無視できるか負の変化の推定されませんでした。しかし、有意なシーケンシャル層のビルドアップ(データは示さず)NCの吸着またはリグニン以下PDDAの吸着せずには不可能であったことが観察された。この結果Iリンク層の吸着が吸着シーケンスにおける重要なステップであることをndicates。

図11
図11は厚さ(第7高調波、灰色)のSauerbrey式で推定厚さと比較フォークト·モデル(黒)を用いて推定。膜の密度1,000キロ/ m 2であると仮定した。

図12
図12。厚さの比較は千キロ/ m 2の仮定密度で4堆積サイクルの後に、NC-PDDA-HMWL(■)のためのフォークトモデルとNC-PDDA -オール(●)と推定した。

表3の偏光解析の厚さ(乾燥状態)と比較した。第1堆積サイクルからエリプソ厚値と、フォークト·モデルの厚さに近い推定値を与え千キロ/ m 2の前提と密度。最初のサイクルの厚さはエリプソメトリー値は、サイクル2-4の各々よりも約2〜3倍大きい。この現象は、他のサイクルに対して1サイクル目のPDDA沈着の差異に関連する。 QCM-D実験から、金の初期PDDA層が〜2nmの厚さであることが見出されている。 PDDAは、NCまたはリグニン上に導入されたときただし、質量/厚さが無視できるか、負の変化がありました。同様の応答を無視できるPDDA吸着56があったとしても、膜厚の線形蓄積が観察されたクラフトリグニンとPDDAのLBL吸着が関与する以前の研究で見られた。下段第1サイクルと比較して、第4の堆積サイクルを介して第2の偏光解析の厚さの値は、金の上に堆積PDDA層のコンフォメーションの変化に帰することができる。しかしながら、サイクル2-4のPDDAの比較的小さな吸着LBLアセンブリプロセスを続行するのに十分である。 (1,000キロ/ m 2の密度に基づいて)推定されたフォークト厚がNC-の両方の偏光解析の厚さの二倍であることが見出されたように、3番目と4番目のサイクルでエリプソメトリとQCM-Dの厚さとの間に有意差があるPDDA-HMWLとNC-PDDA-OLシステム。 QCM-Dデータに対してこの結果は、更なる層のビルドアップが進むにつれてフィルムの粘弾性の性質を増大関与。それは、一番上の層は、追加のトラップされた水を保持している下位層に比べて、より多孔質であることが示唆されている。また、本研究で用いたNCは、FIBEを行いC6位(セルロースの1.0ミリモル/ gのカルボキシル含有量)、少なくともカルボキシル基で飾られているRSより親水性。 NC飾るアニオン基、それゆえ層水和さと粘性され、のSauerbrey関係からの逸脱につながる。関係は薄く、弾性フィルムに適用されます。

サイクル# NC-PDDA-HMWL(NM) NC-PDDA - オール(ナノメートル)
フォークトフォークト偏光解析法フォークトフォークト偏光解析法
(千キロ/ m 2)の (1400キロ/ m 2)の (千キロ/ m 2)の (1400キロ/ m 2)の
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

表3。4堆積サイクルについてエリプソメトリーによって推定想定千と1400キロ/ m 3の密度、および厚さのフォークトモデルによって推定され、各吸着サイクルの後の累積厚さ。

エリプソメトリーにより推定された乾燥フィルム厚さの妥当性を調査するために、AFMスクラッチ試験は、4つの後のNC-PDDA-HMWL及びNC-PDDA-OLの両方で行ったSiウエハ上の堆積サイクル。スクラッチ試験からの高さプロファイルは、NC-PDDA-HMWLそれぞれNC-PDDA - オール、それぞれについて15.1±0.9 nmおよび17.3±3.0程度の平均厚さを与えた。これらの値は、エリプソメトリー( 表3)で測定したものと大きさが類似している。偏光解析法は、AFM(高さプロファイル、ドライ)、およびQCM-D(水和した状態から推定検出された質量、)が続き、最小の測定(光、乾燥)をもたらした。

リグニンの違い

本研究で用いたリグニンの2種類がオルガノリグニン(オール;シグマアルドリッチ株式会社)であり、堅木粉砕木材リグニンは、以前に私たちの研究室で単離され、最近、この現在の研究(HMWL)64について特徴。 HMWLやOLのアセチル化のサンプルのGPC分析は、それぞれ5,300および1300グラム/モルのM nを示した。芳香族留分の脂肪族酢酸水素アセチル化リグニン試料の1 H NMR分析から決定達OLとHMWLため、それぞれ1.16:1と0.26:1であ​​ることが判明し、再。したがって、OLは、高いpHでイオン化可能なフェノール基より多数を占めるであろう有意に高いフェノール含量を有することが見出された。導電率滴定により決定される2つのリグニンの全酸価はOLやHMWLため、それぞれ0.41±0.02および0.34±0.03ミリモル/ gであった。導電率滴定により測定酸価フェノールとリグニン中に存在するカルボンコンテンツの両方からの寄与を表している。従って、より低い分子量を有するわずかに高い荷電リグニンは、初期周波数変化がわずかに小さい厚さを形成する。沈着の差は、セグメント料とMWの変化65などの荷電表面に高分子電解質を吸着するため、通常は注目に値する。最初の2つの堆積サイクルで、オルガノリグニンは粉砕された木材のリグニンの値の面積質量の半分を持っています。この傾向はまた、偏光解析MEASで観察されるurementsは、第1および第2のサイクルにおけるNC-PDDA-OLの厚さとNC-PDDA-HMWLよりも低い。しかしながら、この研究は、最小限の第三及び第四のサイクルの変化、並びに処理が繰り返される250倍であることを示している。サイクルの非常に多くの吸着の小さな違いを拡大します。データは、異なる構造を持つリグニンを大幅に自立膜の作製に影響を与えないことを示唆している。したがって、技術論文にバイオマス変換から入手可能なリグニン、燃料、化学物質、またはモデルリグニンを注意深く単離しいずれかがnanocellulose有する自立フィルムを形成するために使用することができる。異なる起源のリグニンを慎重にモデル細胞壁表面を作るために選択することができる場合、この事実は重要である。

今後の課題は、構造化されたナノ複合材料を導き出すために、現在の研究で使用したPDDAリンカー層を交換するか、強化するために、ヒドロキシル豊富なリンカー層(例えばヘミセルロースのようなポリビニルアルコール、バイオベースなどの合成繊維)を統合する必要がありより厳密に木材細胞壁複合体を表すフィルム。 17 nmの両端のセルロースミクロフィブリルとリグニンの統合は、天然の細胞壁の構造の範囲内であり、人工木材細胞壁として機能する新しいモデル材料を提供する。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgments

この作業は、持続可能なナノテクノロジープログラムを支援するためのバージニア工科大学、バージニア工科大学大学院基幹技術と応用科学研究所(ICTAS)の博士学者のプログラムで、主にサポートされ、たまた米国農務省、NIFA承認番号2010-65504-20429。また、作者はこの仕事にリック·コーディル、スティーブン·マッカートニー、およびW.トラヴィス教会の貢献に感謝します。

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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