Phân Tích Cơ Chế Hình Thành Phim Của Các Hạt Nano Cellulose (CNPs) Dựa Trên Hình Thái Nhanh Khi Sấy Đông Lạnh

Springer Science and Business Media LLC - Tập 27 - Trang 6921-6933 - 2020
Lanxing Du1,2,3, Zhiming Yu2, Jinwu Wang4, Michael P. Wolcott3, Yang Zhang2, Chusheng Qi2
1College of Forestry, Hebei Agriculture University, Baoding, China
2MOE Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, Beijing Forestry University, Beijing, China
3Composite Materials and Engineering Center, Washington State University, Pullman, USA
4Forest Products Laboratory, US Forest Service, Madison, USA

Tóm tắt

Mục tiêu của nghiên cứu này là nhận diện cơ chế hình thành phim của các huyền phù hạt nano cellulose (huyền phù CNP) bằng cách chuyển đổi quá trình hình thành phim thành quá trình bay hơi nước, nghiên cứu hình thái nhanh khi sấy đông lạnh của các hạt CNP, cấu trúc hình thành tự nhiên và mối quan hệ giữa các hạt CNP với các phân tử nước. Kết quả cho thấy tỷ lệ chiều dài/cao tăng làm chuyển đổi các hạt CNP từ sắp xếp có hướng sang mạng phân bố. Liên kết hydro và lực van der Waals giữa các hạt CNP dẫn đến một quá trình hình thành phim chặt chẽ và tương tác, góp phần tạo nên nhiều cấu trúc vi mô khác nhau trong các phim thu được. Tỷ lệ chiều dài/cao cao trong các hạt CNP cản trở việc hình thành tương tác cũng như làm tăng lượng nước hấp thụ trên hạt CNP. Sự tương tác giữa các hạt CNP và sự tương tác giữa các hạt CNP với các phân tử nước được phản ánh qua hành vi cắt loãng của huyền phù CNP. Các hạt CNP với tỷ lệ chiều dài/cao cao có khả năng hấp thụ nhiều nước bị bất động hơn, điều này dẫn đến độ nhớt cao hơn. Các cấu trúc vi mô của phim CNP được phát hiện là dày đặc mà không có các lớp hay lỗ lớn và khác biệt so với hình thái nhanh khi sấy đông lạnh, do sự giảm thể tích liên tục trong quá trình bay hơi nước. Tổng thể, dự kiến rằng việc nhận diện cơ chế hình thành phim của các hạt CNP sẽ cung cấp hướng dẫn cho việc kiểm soát cấu trúc phim và giải thích tính chất vĩ mô của các vật liệu thu được.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Branaver S, Emmeff P, Teller E (1938) Adsorption of gases in multimolecular layers. J Am Chem Soc 60:309–319. https://doi.org/10.1021/ja01269a023 Cheng Y, Schachman K (1955) Studies on the validity of the Einstein viscosity law and Stokes' law of sedimentation. J Polym Sci 16(81):19–30. https://doi.org/10.1002/pol.1955.120168102 Chowdhury R, Clarkson C, Youngblood J (2018) Continuous roll-to-roll fabrication of transparent cellulose nanocrystal (CNC) coatings with controlled anisotropy. Cellulose 25(3):1769–1781. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1688-4 Dent R (1980) A sorption theory for gas mixtures. Polym Eng Sci 20(4):286–289. https://doi.org/10.1002/pen.760200411 Du L, Zhong T, Wolcott M, Zhang Y, Qi C, Zhao B, Wang J, Yu Z (2018) Dispersing and stabilizing cellulose nanoparticles in acrylic resin dispersions with unreduced transparency and changed rheological property. Cellulose 25(4):2435–2450. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1739-x Eichhorn S (2011) Cellulose nanowhiskers: promising materials for advanced applications. Soft Matter 7(2):303–315. https://doi.org/10.1039/c0sm00142b Errokh A, Magnin A, Putaux J, Boufi S (2018) Morphology of the nanocellulose produced by periodate oxidation and reductive treatment of cellulose fibers. Cellulose 25(7):3899–3911. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1871-7 Espino-Pérez E, Bras J, Almeida G, Plessis C, Belgacem N, Perré P, Domenek S (2018) Designed cellulose nanocrystal surface properties for improving barrier properties in polylactide nanocomposites. Carbohydr Polym 183:267–277. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.12.005 Ferrer A, Pal L, Hubbe M (2017) Nanocellulose in packaging: advances in barrier layer technologies. Industrial Crops Products 95:574–582. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.11.012 Fukuzumi H, Saito T, Isogai A (2013) Influence of TEMPO-oxidized cellulose nanofibril length on film properties. Carbohydr Polym 93(1):172–177. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.04.069 Habibi Y (2014) Key advances in the chemical modification of nanocelluloses. Chem Soc Rev 43(5):1519–1542. https://doi.org/10.1039/c3cs60204d Han J, Zhou C, Wu Y, Liu F, Wu Q (2013) Self-assembling behavior of cellulose nanoparticles during freeze-drying: effect of suspension concentration, particle size, crystal structure, and surface charge. Biomacromol 14(5):1529–1540. https://doi.org/10.1021/bm4001734 Inamochi T, Funahashi R, Nakamura Y, Saito T, Isogai A (2017) Effect of coexisting salt on TEMPO-mediated oxidation of wood cellulose for preparation of nanocellulose. Cellulose 24(9):4097–4101. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1402-y Li M, Wu Q, Song K, Lee S, Qing Y, Wu Y (2015) Cellulose nanoparticles: structure-morphology-rheology relationships. ACS Sustainable Chem Eng 3(5):821–832. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5b00144 Lu P, Hsieh Y (2012) Preparation and characterization of cellulose nanocrystals from rice straw. Carbohydr Polym 87:564–573. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.08.022 Lu P, Guo M, Xu Z, Wu M (2018) Application of nanofibrillated cellulose on BOPP/LDPE film as oxygen barrier and antimicrobial coating based on cold plasma treatment. Coatings 8(6):207. https://doi.org/10.3390/coatings8060207 Ma X, Deng Q, Wang L, Zheng X, Wang S, Wang Q, Chen L, Huang L, Ouyang X, Cao S (2019) Cellulose transparent conductive film and its feasible use in perovskite solar cells. RSC Adv 9(17):9348–9353. https://doi.org/10.1039/c9ra01301f Mahfoudhi N, Boufi S (2017) Nanocellulose as a novel nanostructured adsorbent for environmental remediation: a review. Cellulose 24(3):1171–1197. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1194-0 Pircher N, Veigel S, Aigner N, Nedelec M, Rosenau T, Liebner F (2014) Reinforcement of bacterial cellulose aerogels with biocompatible polymers. Carbohydr Polym 111:505–513. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.04.029 Rampazzo R, Alkan D, Gazzotti S, Ortenzi A, Piva G, Piergiovanni L (2017) Cellulose nanocrystals from lignocellulosic raw materials, for oxygen barrier coatings on food packaging films. Packag Technol Sci 30(10):645–661. https://doi.org/10.1002/pts.2308 Skaar C (1988) Theories of water sorption by wood. springer series in wood science (Chapter 3), 86–121. https://doi.org/10.1007/978-3-642-73683-4_3 Sood S, Gupta K, Agarwal S, Dev K, Pathania D (2017) Controlled release of antibiotic amoxicillin drug using carboxymethyl cellulose-cl-poly(lactic acid-co-itaconic acid) hydrogel. Int J Biol Macromol 101:612–620. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.03.103 Xia J, Zhang Z, Liu W, Li F, Cao Y, Zhang W, Deng Y (2018) Highly transparent 100% cellulose nanofibril films with extremely high oxygen barriers in high relative humidity. Cellulose 25(7):4057–4066. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1843-y