Herstellung von vernetzten Cellulose Nanofibrillen Aerogel mit Wasserabsorptionsvermögen und die Wiederherstellung der Form,
Cellulose-Nanofibrillen (CNF) Aerogele sind vielversprechende Materialien für verschiedene Anwendungen aufgrund ihrer hochporösen und Ultraleichteigenschaften. Das Fasernetzwerk von CNF Aerogele zusammen durch Wasserstoffbindung gehalten und mechanische Verschlingung von benachbarten Fasern wird leicht zerstört, wenn es Wasser ausgesetzt wird. In dieser Studie wurden vernetzte CNF Aerogele unter Verwendung von Maleinsäure und Natriumhypophosphit als Vernetzungsmittel hergestellt. Im ersten Schritt der Behandlung, CNF dispergiert in Wasser wurde mit Maleinsäure umgesetzt, um eine Esterbindung zu bilden. Natriumhypophosphit wurde dann zu der Maleinsäure-funktionalisierten CNF Suspension gegeben und die Suspension wurde schnell mit flüssigem Stickstoff eingefroren werden. CNF Aerogel wurde nach der Gefriertrocknung erhalten. Die Vernetzung der Cellulose wurde durch die Reaktion zwischen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung des Maleinsäure-funktionalisierten CNF und Hypophosphit gebildet. Die vernetzte CNF Aerogel wies eine gute Netzstabilität in Wasser und Elastizität nach Kompression.
Cellulose Nanofibrillen Aerogel Vernetzungs Form Erholung Wasserabsorptionsfähigkeit
Einführung
In dieser Studie wurde ein kovalent vernetzte CNF Aerogel in wässrigen Medien unter Verwendung von Maleinsäure und Natriumhypophosphit hergestellt. Maleinsäure wurde auf Cellulosefaser gepfropft und kovalente Vernetzung von CNF wurde durch die Reaktion zwischen Maleinsäure und Hypophosphit gebildet. Die Netzwerkstabilität des vernetzten CNF-Aerogel in einem nassen Zustand sowie ihre physikalischen und strukturellen Eigenschaften wurden untersucht.
Experimental
Herstellung von CNF
REM-Aufnahmen von zubereitetem CNF
Herstellung von Maleinsäure-funktionalisierten CNF
Für die Vernetzungsreaktion der CNF-Aerogel, pA Maleinsäure und Natriumhypophosphit, bezogen von Sigma-Aldrich, verwendet wurden. Maleinsäure- und Natriumhypophosphit wurden die CNF Suspension gegeben. Die Dosierung von Maleinsäure bezogen auf das Gewicht der Anhydroglucoseeinheit (AGU) der Cellulose betrug 10. Diese Dosis-Verhältnis zu bestimmen, wurde angenommen, dass nur CNF aus Cellulose zusammengesetzt war. Natriumhypophosphit als Katalysator für die Veresterungsreaktion von Cellulose und Maleinsäure zugesetzt. Die Dosierung von Natriumhypophosphit betrug 5 Gew% der Maleinsäure. Nach dem Mischen für 30 min wurde auf 120 ° C erhitzt, die Suspension CNF Maleinsäure und Natriumhypophosphit enthält, und bei dieser Temperatur für 30 min in einem Autoklaven zur Veresterung gehalten. Nicht umgesetzte Chemikalien nach der Veresterungsreaktion wurden für 10 min durch zentrifugale Waschen bei 3000g entfernt. Nach dem der Maleinsäure-funktionalisierten CNF (CMF-MA) wurde nieder und der klare Überstand nicht umgesetzten Maleinsäure und Natriumhypophosphit enthält, wurde entfernt. Die CNF-MA Kissen wurde in entionisiertem Wasser und aufeinanderfolgende Waschschritte wurden durchgeführt redispergiert. Nach dem sechsfachen der zentrifugalen Waschungen wurde CNF-MA und für die Vernetzungsreaktion verwendet gesammelt. Maleinsäurebasis funktionalisierte Filtrierpapier CNF (Filterpapier CNF-MA) wurde ebenfalls mit dem gleichen Verfahren hergestellt, die Veresterung von Cellulose zu verifizieren unter Verwendung von FT-IR-Spektroskopie-Analyse.
Die Herstellung des vernetzten CNF Aerogel
Charakterisierung von vernetztem CNF Aerogel
Maleinsäurebasis funktionalisierte Filtrierpapier CNF (Filterpapier CNF-MA) wurde für die FT-IR-Spektroskopie verwendet, um die Esterbindung zwischen den Maleinsäure und Cellulose zu identifizieren. Nach dem Veresterungsverfahren, konvertiert das Filterpapier CNF-MA Suspensionen wurde für 1 h Carbonsäure mit einer 0,1 M NaOH-Lösung bei Raumtemperatur behandelt Anion carboxylat hergestellt. Dann wurde es im Vakuum filtriert, wobei ein Filterpapier CNF-MA Film zu erhalten und bei 40 ° C für 2 Tage in einem Konvektionsofen getrocknet. FT-IR-Spektren des Filterpapier CNF-MA Films wurden mit einem FT-IR-Spektrometer (Cary 660, Agilent) in ATR-Modus erhalten. Für jedes Spektrum wurden 32 Scans mit einem Bereich von 600-4000 cm -1 gesammelt bei einer Auflösung von 4 cm -1.
Ein Rasterelektronenmikroskop (SEM, Fuhrmann, Carl Zeiss) wurde für die Beobachtung der vernetzten CNF Aerogele verwendet. Vernetzte CNF Aerogel Proben wurden bei -196 ° C eingefroren flüssigen Stickstoff, und sein Querschnitt wurde durch Aufbrechen der gefrorene Probe vorbereitet. Dann wurde Probe auf ein Proben Stub befestigt mit einer doppelseitig klebenden leitenden Kohlenstoffband und Sputter-beschichtet mit Platin.
Zur Messung der Feuchtigkeitsaufnahme des vernetzten CNF Aerogel, gesättigten Lithiumchlorid, Calciumchlorid und Natriumchloridlösungen wurden verwendet, um die relative Feuchtigkeit der Luft zu steuern, um 15, 37 und 75% RH bei 23 ° C. Diese gesättigten Salzlösungen wurden in einer Feuchtigkeitskammer und die Gewichtsänderungen des vollständig getrockneten vernetzten Aerogele platziert wurden gemessen, um die Feuchtigkeitsgehalte zu bestimmen.
Um zu bewerten, wurden die Druckfestigkeit und Formwiederherstellungsleistung des vernetzten CNF-Aerogel, ein Texturanalysegerät (TA XT Plus Stable Micro System, Ltd.) mit einer 50 mm zylindrischen Sonde und eine 50 kg-Wägezelle verwendet. Während die Kompression von vernetztem CNF Aerogel wurde kein Bruchpunkt oder Wendepunkt auf der Spannungs-Dehnungs-Kurve beobachtet, bis 90% seiner ursprünglichen Dimension. Die Druckspannung bei einer Dehnung von 90% wurde als die Kompresse Festigkeit bestimmt. In diesem Test wurde die Sondengeschwindigkeit 1 mm / sec eingestellt.
Um die Formwiederherstellungsleistung des vernetzten CNF Aerogel im nassen Zustand, eine Texturprofilanalyse (TPA) zu bewerten wurde durchgeführt. Dieser Test besteht aus zwei aufeinanderfolgenden 70% Dehnung Kompressionen der vernetzten CNF Aerogels, wie in Fig. 2. Die Federung, das Rückgewinnungsverhältnis des verformten Materials nach dem Entfernen einer Deformationskraft, wie in Gl. (1). T1 und T2 stellen die für 70% Kompression der vernetzten CNF Aerogel in den ersten und zweiten Kompressionszyklen jeweils erforderliche Zeit. Wenn die Elastizität Wert näher an eins ist, das vernetzte CNF Aerogel gewinnt leicht in seine ursprüngliche Form nach der Kompression. Für den TPA-Test wurde die Sonde Geschwindigkeit auf 0,5 mm / s eingestellt. Das Zeitintervall zwischen dem ersten und den zweiten Kompressions betrug 5 s.
Zeit-Spannungskurve in TPA-Test
S.A. Standardabweichung
Interne Struktur des vernetzten CNF Aerogel
Dichte von CNF Aerogel und der spezifischen Oberfläche
SEM-Bild der inneren Struktur des vernetzten CNF Aerogel
Wasserabsorptionsleistung des vernetzten CNF Aerogel
Eine Wasserabsorptionstest wurde durch Eintauchen der CNF Aerogele in deionisiertes Wasser durchgeführt. Das CNF Aerogele Wasser sofort durch Benetzung und Kapillarwirkung aufgrund der hydrophilen und porösen Natur der CNF Aerogele absorbiert. Da Wasserstoffbindung und mechanische Verschlingung der Fasern die Hauptquelle der strukturellen Steifigkeit des CNF Aerogels ist, wird ihre Netzwerkstruktur zerstört und irreversibel bei der Absorption von Wasser kollabiert. Auf der anderen Seite, die vernetzte CNF Aerogel behielt seine ursprüngliche Form und Volumen, und dessen Wasseraufnahmevermögen entsprach seiner inneren Porenvolumen (Fig. 8).
Die Wasserabsorptionsfähigkeit von vernetzten CNF Aerogel
Feuchtigkeitsaufnahme und deren Auswirkung auf die mechanische Festigkeit
Wie es in Fig. 9. Die Gleichgewichtsfeuchte von vernetztem CNF Aerogel wurden drastisch mit der relativen Feuchtigkeit der Luft zu, und es war signifikant höher für die typischen Handbögen mit dem gleichen gebleichten Eukalyptus-Kraft-Zellstoff hergestellt. Bei 75% RH Zustand der Feuchtigkeitsgehalt des vernetzten CNF Aerogels betrug 31%, während die der handgeschöpfte Blatt 11% betrug. Die große spezifische Oberfläche des vernetzten CNF Aerogel resultierte in größerer Adsorption von Wasser und gab Feuchtigkeitsgehalt höher Gleichgewicht.
Gleichgewichtsfeuchtigkeitsgehalte von vernetztem CNF Aerogel und typischem handgeschöpfte Blatt Papier mit einem Flächengewicht von 150 g / m 2 als Funktion der relativen Feuchtigkeit der Luft
Druckfestigkeit von vernetztem CNF Aerogel gegenüber Feuchtigkeitsgehalt
Wiederherstellung der Form des vernetzten CNF Aerogel
Vernetzung von CNF Aerogel verursachte Unterschied in der Formwiedergewinnung Verhalten nach Druckverformung. Komprimiert CNF Aerogele blieb in komprimierter Form in trockenem Zustand, unabhängig von der Vernetzungsbehandlung (Fig. 11). Nach dem Benetzen zeigten die komprimierten vernetzten CNF Aerogele wesentlich größere Formwiederherstellungseigenschaften. Die vernetzte CNF Aerogel gewonnen fast 70% der ursprünglichen Form innerhalb weniger Sekunden nach dem Benetzen. Auf der anderen Seite blieb unbehandelt CNF Aerogel komprimiert auch nach Benetzung mit Wasser. Die Formwiederherstellungseigenschaft von vernetztem CNF Aerogel im nassen Zustand wurde mit der Verwendung von TPA-Test (Fig. 12) untersucht. Der vernetzte CNF Aerogel gewonnen sein ursprüngliches Volumen nach Naßkompression und die Elastizität Wert betrug 0,78. Auf der anderen Seite gab der unbehandelten CNF Aerogel die Elastizität von 0,33.
Wiederherstellung der Form von vernetztem CNF Aerogel durch wasseraufnehmende
Zeit-Spannungskurve in TPA-Test von vernetzten und unbehandeltem CNF Aerogel in nassem Zustand
Schlussfolgerungen
Referenzen
Herrick FW, Casebier RL, Hamilton JK, Sandberg KR (1983) Mikrofibrillen-Cellulose: Morphologie und Zugänglichkeit. J Appl Polym Sci: Appl Polym Symp 37: 797-813 Google Scholar
Kistler SS (1931) Coherent erweitert Aerogele und Gelees. Nature 127: 741. doi: 10.1038 / 127741a0 CrossRef Google Scholar
Sakurada I, Nukushina Y, Ito T (1962) Experimentelle Bestimmung des Elastizitätsmoduls von kristallinen Bereichen in orientierten Polymeren. J Polym Sci 57 (165): 651-660. doi: 10.1002 / pol.1962.1205716551 CrossRef Google Scholar
Turbak AF, Synder FW, Sandberg KR (1983) Mikrofibrillen-Cellulose, ein neues Celluloseprodukt: Eigenschaften, Verwendungen und kommerzielles Potenzial. J Appl Polym Sci: Appl Polym Symp 37: 815-827 Google Scholar
Autoren und Zugehörigkeiten
- Chae Hoon Kim
- 1
- Hye Jung Youn
- 1
- Hak Lae Lee
- 1
- 1. Abteilung für Forstwissenschaften Forschungsinstitut für Landwirtschaft und Lebenswissenschaften, Hochschule für Landwirtschaft und Life Sciences, Seoul National University Seoul Republik Korea