Pregătirea și caracterizarea celulozei nanofibrilate din fibră de bambus prin ultrasunete
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
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.