Jinlong Wang

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

pregătirea

Xusheng Li

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Cântec Jianxiao

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Kunze Wu

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Yichun Xue

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Yiting Wu

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Shuangfei Wang

2 Laboratorul cheie Guangxi de pulpă curată și fabricarea hârtiei și controlul poluării, Nanning 530004, China

Date asociate

Abstract

Separarea fibrelor, deconstruirea atât a structurilor interlamelare, cât și a structurilor intermicrofibrile din peretele celular și scindarea regiunilor amorfe ale celulozei (toate atinse într-o baie de tratament asistat chimic), apoi extragerea nanofibrelor de celuloză (CNF) din biomasă, este ambele provocatoare și imperativ. O strategie simplă, rentabilă și ecologică pentru extragerea CNF-urilor din bambus utilizând acid azotic și peroxid de hidrogen (NCHP), pentru a permite fibrilația printr-un mecanism de cooperare, este demonstrată aici. NCHP-CNF-urile cu o lățime de 13,1 ± 2,0 nm, cu un raport de aspect ridicat, cristalinitate de 74%, rezistență UV excelentă și stabilitate termică ridicată, au fost extrase cu succes prin tratament în soluție apoasă HNO3, la o concentrație de 3,2 mol/L, și tratament cu 60,00 mmol/g H2O2 la 50 ° C timp de 48 de ore. Randamentele de NCHP-CNF au atins 73% și 99% pe baza de biomasă și, respectiv, celuloză, datorită selectivității ridicate de delignificare a OH + și a condițiilor apoase ușoare în timpul tratamentului cu NCHP. Aceste NCHP-CNF cu rezistență UV excelentă pot fi aplicate în domeniul acoperirilor rezistente la UV, pentru a înlocui materialele organice și anorganice.

1. Introducere

Nanofibrele de celuloză (CNF) au proprietăți excelente, cum ar fi suprafețe specifice extrem de mari, module Young ridicate, rezistențe specifice ridicate, densități scăzute și coeficienți de expansiune termică reduși, astfel cercetarea și dezvoltarea CNF-urilor au fost conduse atât de industrie, cât și de mediul academic [1]. Aplicațiile potențiale ale CNF includ purificarea apei [2,3], nanopaperul [4], aerogelurile [5], filmele de barieră împotriva gazelor [6], produsele farmaceutice [7,8] și alte nanomateriale de înaltă performanță și de înaltă tehnologie.

Celuloza este o macromoleculă liniară naturală formată din 300-15.000 de unități D-glucoză, legate prin legături β-1,4-glicozidice [9]. Datorită greutății lor moleculare și a legăturilor de hidrogen interceluloză (trei grupări hidroxil pe unitate de glucoză), lanțurile de celuloză se agregează ușor în fascicule. În general, 30–40 lanțuri de celuloză sunt agregate în microfibrile primare complet separate cu lățimea de 3-4 nm, cu regiuni cristaline și amorfe. Microfibrilele cu lățimea de 10-20 nm sunt compuse din câteva până la zeci de microfibrile primare. Microfibrele sunt încorporate într-o matrice formată din lignină și hemiceluloză, iar pereții celulari sunt asamblate prin structuri ierarhice unice prin legături de hidrogen și coeziune intermicrofibrilă pentru a forma structuri ferme în biomasă [10]. FNC sunt de obicei extrase din biomasă prin procese de tratament mecanic asistat chimic. Tratamente mecanice repetate, cum ar fi omogenizarea, sonicarea și microfluidizarea, sunt deseori necesare pentru scindarea legăturilor de hidrogen interfibrilare pentru a permite fibrilația, iar aceste procese consumă o cantitate mare de energie, ceea ce le face prohibitiv costisitoare pentru aplicații comerciale [9].

Peroxidul de hidrogen (H2O2) este un oxidant verde și economic, care a fost aplicat și în diferite domenii [20]. În ultimii ani, H2O2 a apărut ca aditiv chimic în domeniul preparării CNF. H2O2 în combinație cu sulfat feros (FeSO4) pentru a produce CNF din fibre de celuloză a fost demonstrat de Li și colab. [21] Wen și colab. au raportat că lumina ultravioletă și H2O2 au îmbunătățit capacitatea de tratare a ozonului (O3) de a produce CNF din fibre de celuloză [22]. Foarte important, eficiența oxidării HNO3 ar putea fi îmbunătățită prin adăugarea de H2O2, datorită faptului că peroxidul de hidrogen poate oxida HNO2 la HNO3 [23].

2. Materiale și metode

2.1. Produse chimice și materii prime

O plantă de bambus în vârstă de trei ani (Bambusa chungii) furnizată de baza de plantare a Institutului de Cercetare a Științelor Silvice din Regiunea Autonomă Guangxi Zhuang a fost utilizată ca materie primă (conținut de celuloză, lignină și hemiceluloză: 48,05%, 22,09% și 28,88%, respectiv). Bambusul a fost zdrobit pentru a trece prin 40-60 ochiuri, iar materialul a fost uscat la aer și apoi depozitat într-o pungă sigilată. Substanțele chimice utilizate în experiment, adică acidul azotic (HNO3, 65% în greutate) și peroxidul de hidrogen (H2O2, 30% în greutate), au fost toți reactivi analitici puri cumpărați de la Nanning Blue Sky Experimental Equipment Co., Ltd. (Naning, China)

2.2. Prepararea nanofibrelor de celuloză

Pentru a prepara NCHP-CNF, s-au adăugat 5 g de bambus pulbere și o doză de 60 mmol/g de bază de H2O2 pe masa de bambus la 200 ml de 3,2 mol/L sau 9,6 mol/L HNO3 cu agitare magnetică. Reacția a fost efectuată la 50 ° C (35 sau 65 ° C) timp de 48 h sau 72 h și a fost terminată prin adăugarea de apă deionizată (de cinci ori volumul reacției). Pentru a obține fibrele de celuloză, soluția de reacție a fost spălată cu apă deionizată sub aspirație, până când filtratul a fost neutru. Fibrele de celuloză rezultate au fost apoi diluate la 0,8% și omogenizate folosind o cameră de omogenizare la presiune înaltă cu un diametru al porilor de 87 μm și o presiune de omogenizare de 1500 bari. Această operație a fost repetată de 5 ori pentru a obține proba NCHP-CNF.

2.3. Caracterizare

Compozițiile chimice ale pulberii de bambus și fibrelor NCHP au fost determinate în conformitate cu metoda descrisă de Asociația Tehnică a Industriei de Pulp & Paper Inc. (Atlanta, GA, SUA) Conținutul de celuloză a fost măsurat utilizând standardul TAPPI T203 OS-74, iar conținutul de lignină a fost măsurat utilizând standardul TAPPI T222 OS-83.

Spectrele FTIR (spectroscopie în infraroșu transformată Fourier) au fost înregistrate folosind un spectrometru FTIR (TENSOR II, Brook Technology, Ettlingen, Germania) într-un interval de undă cuprins între 4000 și 400 cm -1, cu o rezoluție de 4 cm -1 .

SEM (microscopie electronică de scanare) a fost efectuată folosind un instrument SU8220 (Hitachi, Tokyo, Japonia), iar proba a fost acoperită cu aur înainte de observare.

TEM (microscopie electronică de transmisie) a fost efectuată pe un instrument JEM-1200EX (JEOL, Tokyo, Japonia), la o tensiune de accelerație de 200 kV. Soluția de NCHP-CNF a fost diluată la o concentrație de 0,008% și 1 pl din soluție a fost scăpat pe o plasă de cupru pentru a fi uscat în mod natural. Apoi, acid fosfotungstic a fost adăugat prin picurare timp de 20 de minute, iar excesul de colorant a fost îndepărtat cu hârtie de filtru. Diametrul NCHP-CNF a fost măsurat de cel puțin 100 de ori în imaginea TEM utilizând software-ul Nano Measurer (versiunea 1.2.5, San Francisco, CA, SUA).

Proba liofilizată trebuie măcinată în pulbere folosind un mortar de agat. Cristalinitățile materiilor prime și eșantioanelor au fost analizate folosind un XRD de bancă (difractometru cu raze X) (MINFLEX 600, Tokyo, Japonia). Bambusul pulverizat netratat a fost evaluat prin difracție cu raze X în pulbere, în timp ce fibrele NCHP au fost evaluate ca filme. Indicele de cristalinitate (CrI) pentru fiecare probă a fost calculat din modelele XRD, conform metodei convenționale [24,25].

Proba liofilizată trebuie măcinată în pulbere folosind un mortar de agat. S-a adăugat 10 mg pulbere în tigaie pentru TGA. TGA (analiza termogravimetrică) a fost efectuată la o rată de încălzire de 10 ° C min -1 sub atmosferă de azot într-un analizor termic sincron (NETZSCH STA 449F5, Selb, Germania), într-un interval de temperatură de 30-600 ° C. Proba a fost uscată la 105 ° C timp de 3 ore pentru a îndepărta umezeala înainte de test.

3. Rezultate si discutii

3.1. Mecanismul de pretratare propus

O diagramă schematică a CNF-urilor extrase din bambus prin tratamentul cu NCHP este prezentată în Figura 1 .