1 Centrul colaborativ de inovare a resurselor biologice agricole din producția biochimică din provincia Zhejiang, Universitatea de Știință și Tehnologie din Zhejiang, Hangzhou 310023, China

pregătirea

Abstract

1. Introducere

În ultimii ani, s-a acordat mult mai multă atenție materialelor durabile, ecologice și ecologice, din cauza interesului public în creștere pentru problemele de mediu și a presiunii crescânde din partea instituțiilor legislative [1, 2]. Celuloza este cel mai abundent biopolimer natural regenerabil de pe pământ și este prezentă într-o mare varietate de specii vii, cum ar fi plantele, animalele și unele bacterii. Celuloza este o materie primă multifuncțională care se poate autoasambla în arhitecți bine definiți la mai multe scale, de la nano până la microsize, și se așteaptă să poată înlocui multe materiale nerenovabile [3]. Celuloza nu apare ca o moleculă individuală izolată în natură, dar se găsește ca ansambluri de perete celular de fibre care formează lanțuri individuale de celuloză. Plantele superioare formează microfibrile de celuloză foarte cristalină, fiecare dintre acestea constând din 30–40 lanțuri de celuloză complet extinse și liniare și sunt elementele cu a doua cea mai mică lățime (

3 nm) după lanțuri de celuloză unică [4]. Pereții celulari ai plantelor sunt compuși din microfibrile de celuloză umplute cu hemiceluloză și lignină. Microfibrilele sunt atât de strâns legate între ele de mai multe legături de hidrogen, încât extracția lor s-a dovedit extrem de dificilă. Utilizând un tratament apos dur mecanic sau chimic, fibra de lemn poate fi degradată și deschisă în unitățile lor substructurale, oferind un material precum microfibra și nanofibra.

Termenul „nanoceluloză” se referă în general la materiale celulozice având cel puțin o dimensiune în domeniul nanometrilor. Există două structuri majore, și anume, celuloza nanofibrilată (NFC) și celuloza nanocristalină (NCC), așa cum se arată în Figura 1. Diferențierea este legată de morfologia lor. NCC poate fi privit ca regiunile cristaline ale NFC. NCC, care prezintă o formă scurtă asemănătoare cu tija de 100 până la 200 nm în lungime și 4 până la 25 nm în diametru, a fost izolat extensiv prin tratament de hidroliză acidă [5]. NFC are un diametru sub 100 nm și o lungime de câțiva microni, care poate fi izolată prin procese mecanice [6].


NFC-urile constau dintr-o structură lungă, asemănătoare rețelei, care prezintă proprietăți mecanice excepționale [7], inclusiv un modul Young ridicat, o rezistență ridicată și un coeficient de expansiune termică foarte scăzut. NFC-urile au atras mari interese pentru combinația sa cu un polimer matricial adecvat pentru aplicații de înaltă calitate de specialitate ale compozitelor pe bază de bio. Prin urmare, dezvoltarea unor metode eficiente pentru extragerea NFC din biomasă a primit un interes care a apărut.

NFC-urile au fost produse în mod normal prin dezintegrare mecanică folosind fie super-rectificatoare [8], omogenizatoare de înaltă presiune [9], microfluidizator de înaltă presiune [10], fie prin crioconjire [11]. Cu toate acestea, dezintegrarea mecanică a fibrelor în nanofibre implică adesea mai multe treceri prin dispozitivul de dezintegrare ducând la un consum ridicat de energie. Metoda unică de dezintegrare suferă de două dezavantaje majore. Prima provocare este randamentele relativ scăzute. Al doilea este natura hidrofilă a celulozei care provoacă aglomerare ireversibilă în timpul uscării și alcătuirii în matrice nepolare.

Recent, tehnica cu ultrasunete a fost aplicată pentru izolarea nanofibrelor de celuloză și a atras o atenție considerabilă [22, 23]. Efectul ultrasonicării în legăturile degradante de polizaharide a fost bine descris [24]. Ultrasonicarea este aplicarea energiei sonore la sistemele fizice și chimice. Ecografia produce efectele sale în principal prin cavitație, care poate introduce mult efect, cum ar fi forțe de forfecare intense, unde de șoc și microjete și generează puncte fierbinți localizate cu temperaturi, presiuni și rate de încălzire/răcire foarte ridicate [25, 26]. Astfel de medii extreme oferă o platformă unică pentru a rupe legătura puternică de hidrogen a celulozei interfibrilare, permițând dizolvarea treptată a nanofibrelor [24, 27].

Procedurile existente pentru producerea NFC fie duc la randamente scăzute, fie degradează grav celuloza și, în plus, nu sunt ecologice sau sunt eficiente din punct de vedere energetic. În lucrarea de față, a fost dezvoltat un traseu nou pentru prepararea NFC redispersibilă cu apă din fibră de bambus (BF). Se compune din patru etape, incluzând rafinarea mecanică (R), tratamentul enzimei (E), modificarea carboximetilului (CM) și omogenizarea cu ultrasunete (S). Fibra de bambus a fost dezintegrată în principal prin efectul ultrasonicării cu ajutorul sarcinilor negative. Probele rezultate au fost analizate prin titrare a sarcinii, spectroscopie în infraroșu transformată Fourier (FT-IR), difracție de raze X (XRD), analiză termogravimetrică (TGA) și microscopie electronică de transmisie (TEM) pentru a investiga în continuare structura lor chimică și morfologia.

2. Materiale și metode

2.1. Materiale

Bambusul brut a fost obținut de la fermierii locali din Anji, provincia Zhejiang, China. Enzima a fost obținută de la Tianjin Changwei Biological Technology Co., Ltd., iar activitatea celulolitică a fost de 1000 EGU/g (EGU înseamnă unitate endoglucanază). Acid monocloracetic (MCA) (sare de sodiu, puritate ≥ 98%,

= 116,48 g/mol) a fost cumpărat de la Aladdin. Toate celelalte substanțe chimice utilizate au fost de tip reactiv ACS și au fost achiziționate de la Hangzhou Huipu Co., Ltd. Pentru toate experimentele s-a folosit apă deionizată.

2.2. Prepararea fibrei de bambus (BF) și a celulozei nanocristaline (NFC)

Procesul de izolare a celulozei nanocristaline (NFC) din fibra de bambus constă dintr-o serie de tratamente chimice și ultrasunete de înaltă intensitate în conformitate cu organigrama prezentată în Figura 2. Mai întâi, tratamentul cu clorit de sodiu acidificat a fost efectuat la 75 ° C timp de 1 oră, care s-a repetat de cinci ori până când produsul a devenit alb. Lignina majoră a fost apoi îndepărtată urmând metoda Abe și Yano [28]. Apoi, a fost efectuat un tratament alcalin cu hidroxid de potasiu (KOH) pentru a îndepărta hemicelulozele, amidonul rezidual și pectina. Fibra de bambus decolorată obținută a fost etichetată ca BF.


2.3. Determinarea gradului de substituție (DS) al grupului carboxilat

Titrarea conductometrică (CT) a fost utilizată pentru determinarea DS a BF carboximetilat în conformitate cu protocolul [30]. Soluția apoasă 0,1 M de acid clorhidric (HCI) a fost adăugată la suspensia de fibre și agitată cu o bară magnetică. Conductivitatea suspensiei a fost măsurată la titrare cu soluție apoasă 0,1 M de NaOH, folosind un conductometru. Măsurătorile au fost repetate de trei ori pentru fiecare probă. Curbele de titrare au arătat prezența unui acid puternic corespunzător excesului de HCI și a unui acid slab corespunzător conținutului de carboxilat. Cantitatea totală de grupe carboximetil (CM) și DS a fost calculată din