Verstärkung von bakterieller Cellulose Aerogele mit biokompatiblen Polymeren
einer von der Universität für Bodenkultur Wien, Abteilung für Chemie des Renewables, Konrad-Lorenz-Straße # x000df; e 24, A-3430 Tulln, Wien, Österreich
b University of Natural Resources und Kultur Wien, Institut für Holzforschung, Konrad-Lorenz-Straße # x000df; e 24, A-3430 Tulln, Wien, Österreich
c Clermont Universit # x000e9 ;, ENSCCF, Institut für Chemie von Clermont-Ferrand, BP 10448, 63000, Clermont-Ferrand, Frankreich
d CNRS, UMR 6296, ICCF, 24 av. der Landais, 63171 Aubi # x000e8; Re, Frankreich
1 Derzeitige Adresse: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Baustoffe, Schafmattstra # x000df; e 6, 8093 Zürich, Schweiz.
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Einachsigen Kompressionstests zeigten eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, wie zum BC Aerogele verglichen. Stickstoff Sorptionsexperimenten bei 77 # x000a0; K und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt den Erhalt (oder sogar Verbesserung) des Flächen-zu-Volumen-Verhältnis für die meisten Proben.
Die Bildung einer offenporigen, durchdringendes Netzwerk des zweiten Polymeren durch Behandlung von BC / PMMA-Hybrid-Aerogele mit EMIM Acetat, die ausschließlich extrahiert Cellulose, Zurücklassung freitragende Organogele demonstriert.
1. Einleitung
Bakterielle Cellulose (BC) ist eine extrazelluläre natürliches Nebenprodukt des Stoffwechsels von verschiedenen Bakterien (Deinema # X00026; Zevenhuizen, 1971), mit Acetobacter spp. Stämme am häufigsten verwendet werden. BC wird durch die jeweiligen Bakterienstämme in Reaktion auf bestimmte Umweltbedingungen hergestellt. Acetobacter xylinum. beispielsweise produziert Cellulosehäutchen, dass das Bakterium auf der Oberfläche schwimmende halte ausreichende Sauerstoffversorgung zu gewährleisten. Andere Bakterien, wie beispielsweise die Pflanzenpathogens Agrobacterium tumefaciens. verwenden Cellulose für eine bessere Bindung an Pflanzen, ähnlich der symbiotischen Rhizobium spp.
Die Mehrheit der früheren Studien verwendet, um die obigen Ansätze entweder dünne BC Filme direkt zu verstärken oder mechanisch beständig BC Blätter von modifizierten bulk BC Organogele nach der Verdichtung zu erhalten. Doch um die Verwendung der nativen faszinierenden Morphologie von dreidimensionalen BC aquogels zu machen, die Verstärkungs Ansätze sollten bei einer weitgehenden Erhaltung der inhärenten BC Cellulose-Netzwerk-Architektur anstreben.
2. Materialien und Methoden
2.1. Herstellung von bakterieller Cellulose
Bakteriencellulose wurde durch das Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie (FZMB) Bad Langensalza, Deutschland zur Verfügung gestellt. Das Material wurde bei 30 # x000a0 für 30 Tage durch eine statische Kultivierung von Gluconacetobacter xylinum AX5 Wildtyp-Stamm auf Hestrin-Schramm Wachstumsmedium erzeugt; # x000b0; C.
mm # x000a0;; die erhaltene BC-Schicht wurde in 120 # x000a0 geschnitten # x000d7; # x000a0; 20 # x000a0; mm # x000a0; # x000d7; # x000a0; 20 # x000a0; mm Quader, beheizbare dreimal für 20 # x000a0; min in 0,1 # x000a0; M wässrigem NaOH bei 90 # x000a0; # x000b0; C, und schließlich mit deionisiertem Wasser für 24 # x000a0 gespült; h. Danach wurde die BC zu einem Lösungsmittelaustausch unterworfen, Wasser durch 96% Ethanol ersetzt.
Schrumpfung der Organogele während des Beladens / Fällung und anschließende Trocknung wurde durch Messung der Dimensionen bestimmt, und das Volumen der Berechnung Quadern, bevor mit der jeweiligen Polymerlösung geladen und nach dem Trocknen scCO2. Zur Berechnung der Dichten wurde das Gewicht der Aerogele gravimetrisch bestimmt nach dem Trocknen.
Rasterelektronenmikroskopie (SEM) aus Gold gesputterten Proben (Leica EM SCD005 Sputter-Beschichtungsvorrichtung, Schichtdicke 6 # x000a0; nm) wurde auf einem Tecnai Inspizieren S50 Instrumentes unter Hochvakuum bei einer Beschleunigungsspannung von 5,00 # x000a0 durchgeführt; kV.
M Mikroskop; Mikroskopie mit polarisiertem Licht wurde mit einem Leica DM4000 # x000a0 durchgeführt. Die Bilder wurden mit einer Digitalkamera (Leica Microsystems Wetzlar GmbH, Deutschland) aufgezeichnet.
Mechanische Antwortprofile in Richtung Druckspannung senkrecht zur (schwächeren) Wachstumsrichtung von BC wurden auf einer Zwick-Roell Material-Prüfmaschine Z020 aufgezeichnet. mm # x000a0;; die erforderliche Dehnung einer Deformationsgeschwindigkeit von 2,4 # min zu erreichen x000a0 # X02212; 1 wurde in einem 500 # x000a0 gemessen; N Wägezelle. Dehngrenze (RP0.2) wurde als die Spannung bei 0,2% plastischer Verformung definiert.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1. Schrumpfung und Schüttdichte
Schüttdichte von verstärkten BC Aerogele vs. Massenverhältnis des sekundären Polymers (# x003b6; p) in dem Aerogel (A; Einschub: # X003b6; p in dem Aerogel gegen die Konzentration des sekundären Polymers in dem Beladewanne (cp)). Insgesamt Schrumpfung der Gele während des Ladens.
3.2. Morphologie von BC Hybrid-Aerogelen
REM-Aufnahme eines unmodifizierten BC Aerogel bei 10.000 # x000d7; Vergrößerung (A) und dessen Porengrößenverteilung, wie durch Thermoporosimetrie unter Verwendung von o-Xylol als Lösungsmittel beschränkt analysiert (B; Einschub: Thermogramm eines tiefgefrorenen BC Aerogel mit o-Xylol getränkt).
Rasterelektronenbilder von verstärkter BC Aerogele bei 10.000 # x000d7; Vergrößerung. Die Zahlen auf der linken Seite beziehen sich auf die Konzentration des Beladewanne in mg ml # X02212; 1.
Dichte und mechanische Eigenschaften (n # X000a0; = # x000a0; 3) unter uniaxialer Kompression (rCA Proben zum Vergleich: Aerogele durch Koagulation Cellulose aus Ca (SCN) erhaltenen 2 # X000b7; 8H2 O-Lösung, CA Beladung aus Aceton und anschließenden scCO2 Antilösungsmitteln.
BC / PMMA80 Organogels während der Extraktion von BC mit einer ionischen Flüssigkeit, enthaltende Bereiche unterschiedlicher Mengen an restlichem BC (opak). REM-Aufnahmen: Morphologie eines BC / PMMA80 Aerogel (A) und eines Aerogels wie aus (A), erhalten nach der Extraktion von BC von EMIM.
3.3. Reaktion auf Druckspannung
SEM-Bild von gefriergetrocknetem BC (A) und die Kreuzpolarisationsmikroskopische Aufnahme eines gefrorenen Probe BC (B). Die weißen Pfeile zeigen die Richtung des BC Wachstum.
Im Vergleich zu reinem BC Aerogelen wurde der höchste Gewinn in spezifischen Modul für PMMA80 erreicht (4,8-fach) und PMMA120 (5,5-fach). Für BC / PLA Aerogele fiel der spezifische Modul unter dem des reinen BC Aerogel (Erhöhung der Dichte ohne Verstärkungseffekt) und übertraf es erst nach dem durchdringendes Netzwerk innerhalb des BC-Netzwerk (2,8-fach für PLA120) voll entwickelt hatte.
3.4. Poreneigenschaften
Einfluss von Aerogelzusammensetzung auf spezifische Oberfläche und oberflächenBereich-zu-Volumen-Verhältnis.
4. Schlussfolgerung
Die Verwendung von BC (oder Aerogele aus regenerierter Cellulose) als temporäres Gerüst für die Erzeugung von porösen PMMA Aerogele mit Morphologien des Führungshostnetzwerk ähneln, wie sie in dieser Arbeit gezeigt, ist ein interessanter Ansatz, der weiter in zukünftigen Studien folgen wird.
Anerkennungen
Anhang A. Ergänzende Daten
Referenzen
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