Préparation de nanofibrilles de cellulose réticulée aérogel avec capacité d'absorption d'eau et de récupération de forme,
aérogels nanofibrilles de cellulose (CNF) sont des matériaux prometteurs pour diverses applications en raison de leurs caractéristiques très poreuses et ultra-léger. Le réseau de fibres d'aérogels maintenus ensemble CNF par liaison hydrogène et un enchevêtrement mécanique des fibres adjacentes est facilement détruite lorsqu'elle est exposée à l'eau. Dans cette étude, on a préparé des aérogels CNF réticulé avec de l'acide maléique et l'hypophosphite de sodium comme agents de reticulation. Dans la première étape du traitement, CNF dispersé dans l'eau a été mis à réagir avec de l'acide maléique pour former une liaison ester. hypophosphite de sodium a été ensuite ajouté à la suspension CNF fonctionnalisé à l'acide maléique et la suspension a été congelée rapidement à l'azote liquide. CNF aérogel a été obtenu après lyophilisation. La reticulation de la cellulose a été formé par la réaction entre la double liaison carbone-carbone du CNF fonctionnalisé à l'acide maléique et de l'hypophosphite. L'aérogel CNF réticulé présente une bonne stabilité du réseau dans l'eau et après compression springiness.
nanofibrilles de cellulose aérogel Réticulation récupération d'absorption de l'eau forme
introduction
Dans cette étude, un aérogel CNF réticulé de manière covalente a été préparé en utilisant l'acide maléique et l'hypophosphite de sodium en milieu aqueux. l'acide maléique a été greffé sur la fibre de cellulose, et la réticulation covalente du CNF a été formé par la réaction entre l'acide maléique et l'hypophosphite. La stabilité du réseau de l'aérogel CNF réticulée à l'état humide, ainsi que leurs caractéristiques physiques et structurelles ont été étudiés.
Expérimental
Préparation du CNF
images SEM de CNF préparées
Préparation de l'acide maléique fonctionnalisé CNF
Pour la réaction de reticulation de l'aérogel CNF, l'acide maléique de qualité analytique et l'hypophosphite de sodium, fourni par Sigma-Aldrich, ont été utilisés. l'acide maléique et l'hypophosphite de sodium ont été ajoutés à la suspension CNF. Le dosage de l'acide maléique sur la base du poids de l'unité d'anhydroglucose (AGU) de cellulose était de 10. Pour déterminer ce taux de dosage, on a supposé que CNF est composé de cellulose uniquement. hypophosphite de sodium a été ajouté en tant que catalyseur pour la réaction d'estérification de la cellulose et l'acide maléique. Le dosage de l'hypophosphite de sodium est de 5% en poids de l'acide maléique. Après mélange pendant 30 min, la suspension CNF contenant l'acide maléique et l'hypophosphite de sodium a été chauffé à 120 ° C et maintenu à cette température pendant 30 min dans un autoclave pour l'estérification. les produits chimiques non réagis, après la réaction d'estérification ont été éliminés par lavage centrifuge à 3000 g pendant 10 min. Après quoi, le CNF fonctionnalisé à l'acide maléique (MA-CMF) a été réglé vers le bas et le surnageant limpide contenant de l'acide maléique qui n'a pas réagi et de l'hypophosphite de sodium a été éliminé. Le tampon CNF-MA a été re-dispersé dans de l'eau déminéralisée et des étapes de lavage successives ont été réalisées. Après six fois de lavages centrifuges, CNF-MA a été recueilli et utilisé pour la réaction de réticulation. Maléique papier filtre fonctionnalisé à l'acide CNF (papier filtre CNF-MA) a également été préparé avec la même procédure pour vérifier l'estérification de la cellulose en utilisant une analyse de spectroscopie FT-IR.
Préparation de l'aérogel CNF réticulé
Caractérisation des aérogel CNF réticulé
Maléique papier filtre fonctionnalisé à l'acide CNF (papier filtre CNF-MA) a été utilisé pour la spectroscopie FT-IR pour identifier la liaison ester entre l'acide maléique et de cellulose. Après le processus d'estérification, le papier filtre suspensions CNF-MA ont été traités avec une solution de NaOH 0,1 M à température ambiante pendant 1 heure pour convertir l'acide carboxylique en carboxylate anionique. Puis il a été filtré sous vide pour obtenir un film de papier filtre CNF-MA et séché dans un four à convection pendant 2 jours à 40 ° C. Les spectres FT-IR du film de papier filtre CNF-MA ont été obtenus en utilisant un spectromètre FT-IR (Cary 660, Agilent) en mode ATR. Pour chaque spectre, 32 scans ont été recueillies avec une gamme de 600-4000 cm -1 avec une résolution de 4 cm-1.
Un microscope électronique à balayage (SEM, Auriga, Carl Zeiss) a été utilisé pour l'observation des aérogels CNF réticulé. échantillons d'aérogel CNF réticulés ont été congelés à -196 ° C en utilisant de l'azote liquide, et sa section transversale a été préparé par fracturation de l'échantillon congelé. Ensuite, l'échantillon a été fixée à un tronçon de l'échantillon avec un ruban de carbone conducteur adhésif double face et par pulvérisation cathodique revêtu de platine.
Pour mesurer l'absorption d'humidité de l'aérogel CNF réticulé, le chlorure de lithium saturée, de chlorure de calcium, et des solutions de chlorure de sodium ont été utilisés pour contrôler l'humidité relative de l'air à 15, 37, et 75% d'humidité relative à 23 ° C, respectivement. Ces solutions salines saturées ont été placés dans une chambre humide et les changements de poids des aérogels réticulés complètement séchés ont été mesurés pour déterminer la teneur en humidité.
Pour évaluer la résistance à la compression et la performance forme de recouvrement de la réticulé CNF aérogel, un analyseur de texture (TA XT Plus, Stable Micro Systems, Ltd.) avec une sonde cylindrique de 50 mm et une cellule de charge de 50 kg a été utilisé. Au cours de la compression de l'aérogel CNF réticulé, pas de point de fracture ou de point d'inflexion a été observée sur la courbe contrainte-déformation jusqu'à 90% de sa dimension d'origine. La contrainte de compression à un niveau de contrainte de 90% a été déterminée comme étant la force de compression. Dans cet essai, la vitesse de la sonde a été ajustée à 1 mm / sec.
Pour évaluer la performance forme de recouvrement de l'aérogel CNF réticulé à l'état humide, une analyse de profil de texture (TPA) a été réalisée. Ce test est constitué de deux compressions de déformation successives de 70% de l'aérogel CNF réticulé, comme le montre la Fig. 2. Elasticité, le taux de récupération de la matière déformée après la suppression d'une force de déformation, a été obtenu comme dans l'équation. ( 1 ). T1 et T2 représentent le temps nécessaire pour que 70% de compression de l'aérogel CNF réticulé dans les premier et second cycles de compression, respectivement. Lorsque la valeur est plus proche de springiness un, l'aérogel CNF réticulé récupère facilement sa forme originale après compression. Pour le test TPA, la vitesse de la sonde a été ajustée à 0,5 mm / s. L'intervalle de temps entre la première et la seconde compression est de 5 s.
courbe temps-contrainte dans le test TPA
DAKOTA DU SUD. écart-type
Structure interne de l'aérogel CNF réticulé
Densité de CNF aérogel et de surface spécifique
SEM image de la structure interne de l'aérogel CNF réticulé
la performance d'absorption d'eau de l'aérogel CNF réticulé
Un essai d'absorption d'eau a été réalisée en immergeant les aérogels CNF dans de l'eau désionisée. Les aérogels CNF ont absorbé l'eau instantanément par mouillage et capillarité en raison de la nature hydrophile et poreuse de aérogels CNF. Étant donné que la liaison hydrogène et l'enchevêtrement mécanique des fibres sont la principale source de rigidité structurelle de l'aérogel CNF, sa structure de réseau est détruite de manière irréversible et se replier sur l'absorption d'eau. D'autre part, l'aérogel CNF réticulé conserve sa forme et son volume d'origine, et de sa capacité d'absorption d'eau correspond à son volume de pores internes (Fig. 8).
absorption d'eau de aérogel CNF réticulé
l'absorption d'humidité et ses effets sur la résistance mécanique
Comme le montre la Fig. 9. la teneur en humidité à l'équilibre d'aérogel CNF réticulé a été considérablement augmentée grâce à l'humidité relative de l'air, et elle était significativement plus élevée pour les formettes typiques préparés avec la même pâte kraft blanchie d'eucalyptus. À la condition d'humidité relative de 75%, les teneurs en humidité de l'aérogel CNF réticulé était de 31%, tandis que celle de la feuille d'essai était de 11%. La grande surface spécifique de l'aérogel CNF réticulé a donné lieu à une plus grande adsorption d'eau et a donné la teneur en eau d'équilibre plus élevée.
la teneur en humidité à l'équilibre d'aérogel CNF réticulé et du papier essuie-mains typique avec un grammage de 150 g / m 2 en fonction de l'humidité relative de l'air
Résistance à la compression d'aérogel CNF réticulé par rapport à la teneur en humidité
récupération de forme de l'aérogel CNF réticulé
La réticulation de CNF aérogel causé différence dans le comportement de forme récupération après déformation à la compression. aérogels comprimé CNF sont restés en forme comprimée à l'état sec, indépendamment du traitement de réticulation (Fig. 11). Après le mouillage, les aérogels CNF réticulés compressés ont montré sensiblement plus grandes caractéristiques de récupération de forme. L'aérogel CNF réticulé recueilli près de 70% de la forme d'origine en quelques secondes après le mouillage. D'autre part, aérogel CNF non traitée est restée comprimée même après mouillage à l'eau. La propriété de récupération de forme d'aérogel CNF réticulée à l'état humide a été examiné avec l'utilisation de l'essai TPA (fig. 12). L'aérogel CNF réticulé récupère son volume initial après compression par voie humide et la valeur de springiness était de 0,78. D'autre part, l'aérogel CNF non traité a donné l'élasticité de 0,33.
Forme de récupération de aérogel CNF réticulé par absorption d'eau
courbe temps-contrainte dans le test TPA de aérogel CNF réticulé et non traité à l'état humide
conclusions
Les références
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Auteurs et affiliations
- Chae Hoon Kim
- 1
- Hye Jung Youn
- 1
- Hak Lae Lee
- 1
- 1. Département des sciences forestières Institut de recherche de l'agriculture et des sciences de la vie, Collège d'agriculture et sciences de la vie, Séoul République Université nationale de Séoul de Corée