Целлюлоза, получение целлюлозы, применение целлюлозы, состав бумаги, получение бумаги

Целлюлоза

Чистая целлюлозаЦеллюлоза или клетчатки (от лат. cellula — «клетка») — это вещества также имеющие непосредственное отношение к сахарам. Их молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы. Целлюлоза — является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, в оболочках некоторых плодов (например, семечек подсолнечника). В чистом виде целлюлоза — это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить «на ощупь» чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.
Это практически тоже самое.
Если сравнивать целлюлозу и крахмал, то крахмал лучше подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.
Целлюлозу широко применяют в промышленности, очитсив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целофан отличаются друг от друга на ощупь (целофан не кажется «жирным» и «шуршит» при деформации), а также искусственное волокно — вискозу (от лат. viscosus — «вязкий»).
Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.

Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы
Гидролиз целлюлозы

Получение бумаги

Гидролиз крахмала

Чистая целлюлоза

Как Вы думаете,что входит в состав бумаги?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы. Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами — OH – гидроксильная группа).
Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу.
Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза. Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

Получение целлюлозы

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками.
Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO₄ (гидросульфид натрия) и SO₂ (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов).
При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин — это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается
этиловый спирт, ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы.
Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность.
Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно.
Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага!?

Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С₆Н₁₀О₅, которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги.
Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂), который позволяет временно снизить кислотность.

Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C₂H₅)₂. Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!

Применение целлюлозы

Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-.
Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы, который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.

Ещё один полезный продукт — тринитрат целлюлозы. Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина).
Существует ещё динитрат целлюлозы, который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и органических стекол.

Целлюлозно-бумажная промышленность. Толкование терминов (рус)

7. ДРЕВЕСНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Волокнистый материал, получаемый из балансовой древесины, древесной щепы, стружек и отходов путем их механической и/или химической обработки и используемый для производства бумаги, картона, древесноволокнистых плит или других видов целлюлозной продукции. В JQ1 и JQ2 в эту общую категорию входят механическая древесная масса; полуцеллюлоза; целлюлоза; и целлюлоза для химической переработки. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

7.1 МЕХАНИЧЕСКАЯ ДРЕВЕСНАЯ МАССА

Древесная масса, получаемая путем измельчения или размола балансовой древесины и отходов, а также путем рафинирования щепы или стружек. Она также называется дефибрерной или рафинированной древесной массой, и может быть беленой или небеленой. Этот термин включает химико-механическую и термомеханическую древесную массу. Этот термин не включает древесную массу, полученную взрывным способом, и дефибраторную древесную массу. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

7.2 ПОЛУЦЕЛЛЮЛОЗА

Масса, получаемая путем осуществления комплекса операций по механической и химической обработке балансовой древесины, древесной щепы, стружек и отходов, ни одна из которых сама по себе не может обеспечить расслаивание волокон. Она может быть беленой или небеленой. Этот термин включает химико-дефибрерную массу; химико-механическую массу и т.д. (названия даются в зависимости от порядка и относительного значения той или иной операции в рамках процесса производства). Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

7.3 ЦЕЛЛЮЛОЗА

Масса, получаемая из балансовой древесины, древесной щепы, стружек и отходов путем их химической обработки. Этот термин включает сульфатную (крафт), натронную и сульфитную целлюлозу. Она может быть беленой, полубеленой или небеленой. Этот термин не включает целлюлозу для химической переработки. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги). Просьба также представлять статистические данные, если таковые имеются, по следующим четырем классам целлюлозы: небеленая сульфитная целлюлоза; беленая сульфитная целлюлоза; небеленая сульфатная целлюлоза; и беленая сульфатная целлюлоза.

7.3.1 СУЛЬФАТНАЯ НЕБЕЛЕНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

7.3.2 СУЛЬФАТНАЯ БЕЛЕНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Масса, получаемая путем механического измельчения балансовой древесины, древесной щепы, стружек и отходов с последующей варкой в сосуде высокого давления с добавкой варочного щелока на базе натриевого гидрооксида (натронная целлюлоза) или смеси натриевого гидрооксида и сульфитного щелока на натриевом основании (сульфатная целлюлоза). Этот термин не включает целлюлозу для химической переработки. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги). Просьба представлять данные по двум классам (беленая, включая полубеленую, и небеленая).

7.3.3 СУЛЬФИТНАЯ НЕБЕЛЕНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

7.3.4 СУЛЬФИТНАЯ БЕЛЕНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Масса, получаемая путем механического измельчения балансовой древесины, древесной щепы, стружек и отходов с последующей варкой в сосуде высокого давления с добавкой бисульфитного варочного раствора. Обычно используются такие бисульфиты как аммоний, кальций, магний и натрий. Этот термин не включает целлюлозу для химической переработки. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги). Просьба представлять данные по двум классам (беленая, включая полубеленую, и небеленая).

7.4 ЦЕЛЛЮЛОЗА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

Целлюлоза (сульфатная, натронная или сульфитная) из древесины специального качества с высоким содержанием альфа-целлюлозы (обычно 90% или более). Это всегда беленая целлюлоза, при этом она применяется не для производства бумаги, а в других целях. Она используется главным образом в качестве источника клетчатки в процессе производства таких товаров, как искусственное волокно, пластик на основе целлюлозы, лаки и взрывчатые вещества. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

 

SCA pulp. Fotograf Torbjörn Bergkvis © sca.com

8. ПРОЧИЕ ВИДЫ МАССЫ

Масса, изготовляемая из макулатуры и волокнистых растительных материалов, помимо древесины, и используемая для производства бумаги, картона и древесноволокнистых плит. В JQ1 и JQ2 в эту общую категорию входят масса из недревесного волокна и масса из рекуперированного волокна. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

8.1. МАССА ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО ВОЛОКНА

Масса, изготовляемая из волокнистых растительных материалов помимо древесины и используемая для производства бумаги, картона и древесноволокнистых плит. Этот термин не включает массу из рекуперированной бумаги. Этот термин включает массу из: соломы, бамбука, сахарного тростника, эспарто, других видов тростника и трав, хлопкового линта, льняной костры, пеньки, тряпичного сырья и других текстильных отходов. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

8.2 МАССА ИЗ РЕКУПЕРИРОВАННОГО ВОЛОКНА

Масса, изготовляемая из рекуперированной бумаги или картона и используемая для производства бумаги, картона и древесноволокнистых плит. Этот термин не включает массу из: соломы, бамбука, сахарного тростника, эспарто, других видов тростника и трав, хлопкового линта, льняной костры, пеньки, тряпичного сырья и других текстильных отходов. Данные представляются в метрических тоннах абсолютно сухого веса (т.е. 10% содержания влаги).

9. РЕКУПЕРИРОВАННАЯ БУМАГА

Макулатура и отходы бумаги и картона, собранные для повторного использования в качестве сырья для производства бумаги и картона. Этот термин включает бывшие в употреблении бумагу и картон, а также отходы бумажного и картонного производства. Данные представляются в метрических тоннах.

См. также: Виды целлюлозы

10. БУМАГА И КАРТОН

Категория бумаги и картона является общей категорией. В статистике производства и торговли она охватывает следующие товары: бумагу для печати и письма; гигиеническую и бытовую бумагу; упаковочные материалы; и прочие сорта бумаги и картона. Этот термин не включает изделия из бумаги и картона, например, ящики, коробки, книги и журналы. Данные представляются в метрических тоннах.

10.1 БУМАГА ДЛЯ ПЕЧАТИ И ПИСЬМА

Категория бумаги для печати и письма является общей категорией. В статистике производства и торговли она охватывает следующие товары: газетную бумагу; немелованную бумагу с содержанием древесной массы; немелованную бумагу без содержания древесной массы; и мелованную бумагу. Товары, включенные в эту категорию, обычно производятся в рулонах шириной более 15 см или в прямоугольных листах длиной более 36 см и шириной более 15 см в развернутом виде. Этот термин не включает изделия из бумаги и картона, например, книги и журналы. Данные представляются в метрических тоннах.

10.1.1 ГАЗЕТНАЯ БУМАГА

Бумага, используемая главным образом для печатания газет. Она изготавливается главным образом из механической древесной массы и/или макулатуры с добавкой или без добавки небольшого количества наполнителя. Товары включенные в эту категорию обычно производятся в рулонах шириной более 36 см, или в прямоугольных листах длиной более 36 см и шириной более 15 см в развернутом виде. Вес обычно колеблется в пределах 40-52 г/м², но может достигать и65 г/м² . Газетная бумага имеет машинную гладкость или слегка каландрирована, может быть белой или иметь незначительный оттенок, используется в рулонах для высокой, офсетной или флексографской печати. Данные представляются в метрических тоннах.

10.1.2 НЕМЕЛОВАННАЯ БУМАГА С СОДЕРЖАНИЕМ ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ

Бумага для печати и других графических целей, в композиции которой доля целлюлозного волокна составляет менее 90%. Этот сорт также известен под названием бумага из древесной массы, при этом к нему также относится журнальная бумага, например, глазированная бумага с большим содержанием наполнителей, используемая для печатания журналов ротогравюрным и офсетным методами. Этот термин не включает основу обойной бумаги. Данные представляются в метрических тоннах.

10.1.3 НЕМЕЛОВАННАЯ БУМАГА БЕЗ СОДЕРЖАНИЯ ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ

Бумага для печати и других графических целей, в композиции которой доля целлюлозного волокна составляет по крайней мере 90%. Немелованная бумага без содержания древесной массы может изготавливаться из волокна различных материалов с использованием различных минеральных наполнителей и процессов отделки как то, проклейка, каландрирование, машинное глазирование и нанесение водяных знаков. К этому сорту относится большинство видов конторской бумаги, например, бумага для конторских бланков, копировальная бумага, бумага для компьютеров, почтовая и книжная бумага. Под эту категорию также подпадают пигментированная и клееная под прессом «мелованная» бумага (с содержанием наполнителей менее 5г на каждую сторону). Этот термин не включает основу обойной бумаги. Данные представляются в метрических тоннах.

10.1.4 МЕЛОВАННАЯ БУМАГА

Бумага для печати и других графических целей, одна или обе стороны которой мелованы с помощью углерода или минеральных веществ, например, фарфоровой глины (каолина), карбоната кальция, и т.д. Мелование может производится с помощью различных методов, как машинных, так и ручных, и дополняться каландрированием. Этот термин включает бумагу-основу для карбонирования и самокопирующую бумагу в рулонах и листах. Этот термин не включает прочие сорта копировальной и переводной бумаги. Данные представляются в метрических тоннах.

10.2 ГИГИЕНИЧЕСКАЯ И БЫТОВАЯ БУМАГА

К этой категории относятся различные сорта бумаги, которая служит сырьем для производства косметической и другой гигиенической бумаги, используемой в быту, а также в торговых и производственных помещениях. Товары включенные в эту категорию обычно производятся в рулонах шириной более 36 см, или в прямоугольных листах длиной более 36 см и шириной более 15 см в развернутом виде. В качестве примера можно привести туалетную бумагу и гигиенические салфетки, кухонные бумажные полотенца, бумажные полотенца для рук и промышленные одноразовые полотенца. Некоторые сорта этой бумаги также используются в производстве детских салфеток, гигиенических полотенец и т.д.

Бумага-основа изготавливается из первичной целлюлозы, рекуперированного волокна или их смеси. Конечные изделия, нарезанные в размер, или в рулонах шириной менее 36 см к этой категории не относятся. Данные представляются в метрических тоннах.

10.3 УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Бумага и картон, используемые главным образом для обертки и упаковки. Товары включенные в эту категорию обычно производятся в рулонах шириной более 36 см, или в прямоугольных листах длиной более 36 см и шириной более 15 см в развернутом виде. Этот термин не включает небеленую крафт-бумагу и картон, которые не являются мешочной крафт-бумагой или оклеечной крафт-бумагой, весом более 150 г/м², но менее 225 г/м²; прокладочные бумагу и картон; вощеную бумагу; немелованную бумагу-основу весом 225 г/м² или более. Данные представляются в метрических тоннах.

10.3.1 КАРТОНАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Бумага и картон, используемые главным образом для производства гофрированного картона. Они изготавливаются из смеси первичной целлюлозы и рекуперированного волокна, могут быть белеными, небелеными и неравномерной окраски. Этот термин включает оклеечную крафт-бумагу, целлюлозно-макулатурную бумагу, целлюлозную основу для гофрирования и основу для гофрирования из отходов (Wellenstoff). Данные представляются в метрических тоннах.

10.3.2 КАРТОН ДЛЯ СКЛАДНЫХ КОРОБОК

В литературе на английском языке часто называется Cartonboard, может быть однослойным или многослойным, мелованным или немелованным. Изготавливается из первичной целлюлозы и/или рекуперированного волокна, обладает хорошей сгибаемостью, прочностью и способностью к фальцеванию. Используется главным образом в производстве картонной упаковки для пищевых товаров, например, коробок для замороженных продуктов и тары для напитков. Этот термин включает бумагу и картон, покрытые или обработанные пластиком (исключая связывающие материалы), мелованные многослойные бумагу и картон, неравномерно беленные по всей массе. Данные представляются в метрических тоннах.

10.3.3 ОБЕРТОЧНАЯ БУМАГА

Бумага (весом до 150 г/м²), используемая главным образом для обертки и упаковки. Изготавливается главным образом из смеси первичной целлюлозы и рекуперированного волокна, может быть беленой и небеленой. Может подвергаться различным процессам отделки и /или маркировки. Этот термин включает мешочную крафт-бумагу, прочие сорта оберточной крафт-бумаги, сульфитную и жиронепроницаемую бумагу, а также мелованные бумагу и картон, неравномерно беленные по всей массе, за исключением многослойных. Этот термин не включает вощеную бумагу. Данные представляются в метрических тоннах.

10.3.4 ПРОЧИЕ СОРТА БУМАГИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УПАКОВКИ

К этой категории относятся все не указанные выше сорта бумаги и картона, используемые главным образом для целей упаковки. Большинство из них производится из рекуперированного волокна, например из макулатурного картона, и перерабатывается для использования в некоторых случаях в других целях помимо упаковки. Данные представляются в метрических тоннах.

10.4 ПРОЧИЕ СОРТА БУМАГИ И КАРТОНА, КОТОРЫЕ НЕ ВКЛЮЧЕНЫ В ДРУГИХ КОДАХ

Прочие сорта бумаги и картона промышленного и специального назначения. К этой категории относятся сигаретная и фильтровальная бумага, а также изоляционная бумага и специальные сорта бумаги для парафинирования, изоляции, кровельного покрытия, асфальтирования, и других специальных работ. Этот термин не включает многослойные немелованные бумагу и картон, мелованные бумагу и картон, неравномерно беленные по всей массе, бумагу и картон, покрытые или обработанные пластиком (исключая связывающие материалы). Этот термин включает основу обойной бумаги, небеленую крафт-бумагу и картон, которые не являются мешочной крафт-бумагой или оклеечной крафт-бумагой, весом более 150 г/м², но менее 225 г/м²; прокладочные бумагу и картон; вощеную бумагу; немелованную бумагу-основу весом 225 г/м² или более, основу для копировальной и переводной бумаги в рулонах и листах, за исключением копировальной и самокопирующей бумаги.

______

Стандартные коэффициенты пересчета
Пересчет с бывшей британской системы на метрическую

Источник: Национальное Лесное Агентство

Балтийская целлюлоза — Получение и использование целлюлозы в бумажной промышленности

Получение целлюлозы

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных комбинатах. По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

Кислые:

Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты. 

В настоящее время сульфитным способом варки получают 5-6% мирового объема целлюлозы. Выход целлюлозы при сульфитной варке:

• Лиственная – 47-48%
• Хвойная – до 52%

Щелочные:

Натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы.

Сульфатный. Наиболее распространённый метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. 

В настоящее время сульфатным способом варки получают 90% мирового объема целлюлозы. Выход целлюлозы при сульфатной варке:

• Лиственная – до 53%
• Хвойная – 48%

Доминирующее положение сульфатного процесса по сравнению с другими способами варки, помимо высоких прочностных характеристик сульфатной целлюлозы, объясняется следующими преимуществами:

• Более низкие требования к породному составу и качеству древесного сырья; использование лиственной и хвойной древесины, а также, отчасти, древесных отходов;
• Малое время варки;
• Отработанные процессы регенерации тепла и варочного раствора, минимизация отходов, а также производство ценных побочных продуктов.
• Образование характерных дурнопахнующих газовых выбросов;
• Более низкий выход хвойной целлюлозы;
• Тёмный цвет небелёной целлюлозы и трудности её последующей отбелки;
• Высокие первоначальные капитальные затраты на новое производство.

У сульфатной целлюлозы также более высокие бумагообразующие свойства: её волокна более гибки, она обладает лучшими механическими показателями. Бумага из неё более плотная, термостойкая, менее подвержена деформации. В то же время, именно эти свойства затрудняют набухание и размол сульфатного волокна при переработке.

Использование целлюлозы в бумажной промышленности

Целлюлоза сульфатная хвойная небелёная предназначена для производства высокопрочных тарных и упаковочных видов бумаги и картона: мешочная бумага, электротехническая бумага (кабельная бумага, электроизоляционная бумага и пр.), картоны технического назначения.

Целлюлоза сульфатная хвойная белёная предназначена для производства пергамина, жиропрочного пергамента, упаковочной бумаги; производства санитарно-гигиенической продукции (подгузники и т.д.).

Сульфатная целлюлоза беленая хвойная+лиственная предназначена для произсодства бумаги для печати (офсетной, писчей), ватманов, акварельной бумаги, обойной бумаги.

Полуцеллюлоза сульфатная лиственная небелёная (нейтральная) предназначена для производства бумаги для гофрирования, упаковочного картона.

20.07.2020

Поставки хлопковой целлюлозы. Полезная информация от компании Navichem

Дата публикации: 30.03.2020 00:00

Хлопковая целлюлоза – это очищенный и тщательно переработанный волокнистый материал рыхлой консистенции. Он содержит высокую концентрацию альфа-целлюлозы, имеет белый цвет и синтезируется путем щелочной обработки линта. В последующем целлюлозу отбеливают и высушивают. Данный материал должен соответствовать производственному ГОСТ-стандарту. Качественная целлюлоза не должна содержать посторонних примесей и включений.

Разновидности целлюлозы

Целлюлоза производится в нескольких видах:

• рыхлая;
• листовая;
• рулонная.

Целлюлоза может быть беленой и небеленой, она может использоваться для производства обычной, специализированной и высокономинальной бумаги.

Свойства

Хлопковая целлюлоза – рыхлый волокнистый материал белого цвета. Она не токсична, не имеет запаха. Волокна целлюлозы не растворяются в воде, не деформируются от действия органических растворителей. В щелочной среде волокна набухают, в кислой – их поверхность легко смачивается. Минеральные кислоты гидролизуют целлюлозу в сахара.

Сферы использования

Целлюлоза широко используется в производстве и в быту в качестве сырья для:

• изготовления бумаги;
• производства нитроцеллюлозы, фенопласта;
• производства искусственных волокон;
• синтеза добавок, используемых для пищевой и косметической промышленности.

Хлопковая целлюлоза относится к веществам, обладающим повышенной горючестью. При работе с материалом необходимо остерегаться вероятности возгорания (работать вдали от источников огня, легковоспламеняющихся жидкостей, искрящихся предметов). Склады, на которых хранится целлюлоза, не отапливаются, что связано с опасностью возгорания штабелированного материала.

Интересные статьи

Статья

25.05.2021
0

Перспектива использования холодного асфальта в России

Холодный асфальт — современный материал для дорожного строительства. Используется для ремонта автомагистралей, площадок с а/б покрытием, городских улиц, дворовых территорий, подъездных…

Статья

31.03.2021
0

Бентонит для ГНБ

Горизонтально-направленное бурение (ГНБ) — экономичная и малозатратная по ресурсам технология прокладки коммуникаций и добычи полезных ископаемых. ГНБ позволяет выполнять работы под…

Статья

24.02.2021
0

Битум строительный 90/10

Битум (или «земляная смола») относится к наиболее распространенным строительно-инженерным материалам, известным еще со времен Древнеегипетского и Шумерского царств. В течение…

Статья

23.12.2020
0

Применение гильсонита в битуме и дорожных смесях

Органический минерал гильсонит (или природный асфальт) в последние десятилетия активно применяется как в геологии, так и в дорожно-строительной сфере: при формировании покрытий…

Статья

10.07.2020
19

Диоксид кремния для сельского хозяйства

Диоксид кремния способствует увеличению количество подвижных фосфатов в различных грунтах. Поэтому он применяется фермерами при предпосевной обработке почвы и семян, а также при…

Статья

23.06.2020
53

Диоксид кремния — SiO2

— синтетическое вещество, полученное путем нагревания кремния до +500 С. Представляет собой бесцветные твердые кристаллы. Используется в…

Статья

22.06.2020
59

Битум 100/130 — смесь углеводородов со специальными добавками, выпускаемая по лицензированной технологии «Битурокс» в соответствии с ГОСТ 22245-90. Материал широко используется в…

Статья

13.04.2020
121

Битум дорожный БНД 60/90

Битум дорожный БНД 60/90 – это качественный продукт переработки нефти, содержащий в своем химическом составе высокомолекулярные углеводороды и их производные (неметаллические),…

Статья

13.04.2020
103

Дизельное топливо Евро-5

Дизельное топливо Евро-5 считается безопасным и универсальным нефтяным продуктом высокой очистки, который идеально подходит для отечественных и иностранных автомобилей. При этом год…

Страница не найдена — Портал Продуктов Группы РСС

Сообщите нам свой адрес электронной почты, чтобы подписаться на рассылку новостного бюллетеня. Предоставление адреса электронной почты является добровольным, но, если Вы этого не сделаете, мы не сможем отправить Вам информационный бюллетень. Администратором Ваших персональных данных является Акционерное Общество PCC Rokita, находящееся в Бжег-Дольном (ул. Сенкевича 4, 56-120 Бжег-Дольный, Польша ). Вы можете связаться с нашим инспектором по защите личных данных по электронной почте: .

Мы обрабатываем Ваши данные для того, чтобы отправить Вам информационный бюллетень — основанием для обработки является реализация нашей законодательно обоснованной заинтересованности или законодательно обоснованная заинтересованность третьей стороны – непосредственный маркетинг наших продуктов / продуктов группы PCC .

Как правило, Ваши данные мы будем обрабатывать до окончания нашего с Вами общения или же до момента, пока Вы не выразите свои возражения, либо если правовые нормы будут обязывать нас продолжать обработку этих данных, либо мы будем сохранять их дольше в случае потенциальных претензий, до истечения срока их хранения, регулируемого законом, в частности Гражданским кодексом.

В любое время Вы имеете право:

• выразить возражение против обработки Ваших данных;
• иметь доступ к Вашим данным и востребовать их копии;
• запросить исправление, ограничение обработки или удаление Ваших данных;
• передать Ваши персональные данные, например другому администратору, за исключением тех случаев, если их обработка регулируется законом и находится в интересах администратора;
• подать жалобу Президенту Управления по защите личных данных.

Получателями Ваших данных могут быть компании, которые поддерживают нас в общении с Вами и помогают нам в ведении веб-сайта, внешние консалтинговые компании (такие как юридические, маркетинговые и бухгалтерские) или внешние специалисты в области IT, включая компанию Группы PCC .

Больше о том, как мы обрабатываем Ваши данные Вы можете узнать из нашего Полиса конфиденциальности.

Природа предлагает экологически чистую альтернативу невоспроизводимым материалам

Помимо повышения прочности бумаги и картона, бетона и пластмассы, свойства наноцеллюлозы используются для улучшения качества пенопластов и гелей, текстиля и адгезивов. Наноцеллюлозные композиты могут разрабатываться в качестве прочных, легких и дешевых альтернатив невоспроизводимому углеродному волокну и стеклопластику², и, кроме того, они предлагают экологически безопасную альтернативу пластмассам на основе ископаемого топлива, которые в настоящее время используются для производства таких разнообразных продуктов, как пластиковые стулья и мусорные баки, а также компоненты для автомобилей и самолетов². Целлюлозные нанокристаллы (CNC) можно использовать для изготовления больших экранов и солнечных панелей или даже для производства батарей и суперконденсаторов или интеллектуальных материалов, которые реагируют на такие внешние раздражители, как тепло, свет, электричество, pH или давление^3,4. Наноцеллюлоза также может стать основой совершенно новых фармацевтических материалов для доставки лекарственных средств, биодатчиков, диагностических устройств и даже косметики². 

И поскольку наноцеллюлозу можно получать из любого растительного источника, включая такие сельскохозяйственные отходы, как пшеничная солома, мы можем однажды написать что-нибудь на бумаге, которая была произведена без использования древесины или даже воды³.

Параллельно с продолжением исследований и разработок, ориентированных на применение наноцеллюлозы в конечных продуктах, специалисты индустриального сектора также разрабатывает устойчивые, экономичные и эффективные технологии производства наноцеллюлозных исходных материалов для промышленного и медицинского применения. Конечной целью является разработка устойчивых и экологически обоснованных методов промышленного производства, которые минимизируют использование энергии и ресурсов и уменьшают количество отходов. 

Применение целлюлозы для адсорбционной очистки клеровки желтых сахаров Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2015 ISSN 2410-6070

— наличие уплотнений в патрубках при проходе открыто проложенных одиночных кабелей сквозь стены;

— полноту выполнения комплекса мероприятий, обеспечивающих взрывозащиту.

Список использованной литературы:

1. Приказ Ростехнадзора от 14.11.2013 г. № 538 «Об утверждении федеральных норм и правил в области

промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности» (зарегистрирован в Минюсте России 26.12.2013 г. pen № 30855) [Электронный ресурс]

http://www.pravo.gov.ru.

2. Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ (ред. от 13.07.2015) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» с изменениями, внесенными Федеральным законом от 13.07.2015 N 233-ФЗ [Электронный ресурс] http://www.pravo.gov.ru.

© Е.П. Кульков, А.А. Короткий , Э.А. Панфилова, 2015

УДК 664.1.05

Н.Г. Кульнева, д.т.н., профессор Ю.С. Куценко, магистр Е.Н. Астапова, бакалавр Кафедра технологии бродильных и сахаристых производств Воронежский государственный университет инженерных технологий,

Воронеж, Российская Федерация

ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ КЛЕРОВКИ ЖЕЛТЫХ САХАРОВ

Аннотация

Получение высококачественных полупродуктов в варочно-кристаллизационном отделении является актуальной проблемой свеклосахарного производства. При производстве белого сахара клеровку желтых сахаров дополнительно не очищают, что снижает качество готовой продукции. Проведены исследования по применению целлюлозы как адсорбента для очистки концентрированных сахарных растворов, обладающего сродством к красящим веществам и другим примесям. Опыты проводили на полупродуктах Лебедянского сахарного завода. Результаты испытаний показали способность целлюлозы адсорбировать красящие вещества сахарного производства. Исследовано влияние концентрации адсорбента и массовой доли сухих веществ клеровки на эффективность обесцвечивания, получены рациональные параметры процесса. Установлено, что проведение дополнительной адсорбционной очистки клеровки желтых сахаров позволяет снизить цветность растворов, повысить выход и качество готовой продукции.

Ключевые слова

свеклосахарное производство, клеровка, целлюлоза, красящие вещества.

Цветность полупродуктов, поступающих на первую ступень кристаллизации при получении белого сахара в соответствии с ГОСТ 31895-2012 не должна превышать 375-400 ед. ICUMSA. В процессе уваривания утфелей может происходить нарастание цветности, влияющее на качество желтых сахаров, возвращаемых на 1 ступень кристаллизации. Эффективное удаление красящих веществ возможно только при помощи адсорбционной очистки [1].

Для очистки производственных сахаросодержащих растворов применимы сорбенты на основе целлюлозы [2]. Применение фильтрующих средств на основе органических возобновляемых сырьевых

84

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2015 ISSN 2410-6070

ресурсов (целлюлоза, древесные и растительные волокна) имеет множество преимуществ: экономичность, экологичность при утилизации, безопасность в использовании, надёжность и эффективность в применении [3].

Проведены исследования по дополнительной адсорбционной очистке клеровок желтых сахаров с использованием целлюлозы. Для опытов использовали клеровку желтого сахара II и III ступени кристаллизации Лебедянского сахарного завода (табл. 1)

Таблица 1

Качественные показатели клеровки желтого сахара II и III кристаллизации

Показатели Клеровка II продукта Клеровка III продукта

Чистота, % 97,61 96,05

Цветность, ед. опт. пл. 472,5 1021,5

Массовая доля редуцирующих веществ, % 0,046 0,096

Массовая доля солей кальция в пересчете на СаО, % 0,03 0,03

Опыты по адсорбционной очистке клеровок желтого сахара II и III кристаллизации осуществляли при температуре 75 °С в течение 10 мин при периодическом перемешивании. Расход целлюлозы варьировали от 25 до 100 мг на 100 г клеровки. После контакта и фильтрования в обесцвеченных клеровках определяли цветность и рассчитывали эффект обесцвечивания (табл. 2). Результаты испытаний показали способность целлюлозы адсорбировать красящие вещества сахарного производства.

Для оценки эффекта обесцвечивания в зависимости от концентрации сухих веществ готовили клеровки жёлтого сахара массовой долей 55, 60, 65 % с последующей адсорбционной очисткой целлюлозой. По результатам эксперимента построена номограмма для определения расхода адсорбента в зависимости от концентрации клеровки (рисунок).

Таблица 2

Показатели клеровки после обработки целлюлозой

Показатель Массовая доля целлюлозы, %

0 0,025 0,050

Клеровка желтого сахара II кристаллизации

Цветность, ед.———1——*—I——-1———!——-1

0 20 40 60 «0 100 120 140

Расход адсорбента, мг/100 г

Номограмма для определения расхода адсорбента в зависимости от концентрации клеровки Установлено, что эффект обесцвечивания снижается с увеличением концентрации клеровки, что обусловлено повышенной вязкостью раствора. Рациональный расход адсорбента — 0,040-0,065 % к массе

85

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10/2015 ISSN 2410-6070

клеровки. Увеличение эффекта обесцвечивания при большем расходе адсорбента незначительно и экономически не оправдано.

Таким образом, использование дополнительной адсорбционной очистки клеровки желтых сахаров позволяет снизить цветность на 12 %, увеличить выход готовой продукции на 0,2 % за счет повышения чистоты смеси сиропа с клеровкой на 0,4-0,9 %.

Список использованной литературы

1. Повышение качества полупродуктов кристаллизационного отделения [Текст] / Ю. И. Последова, А. И. Громковкий, Ю. С. Куценко, Д. Б. Перепечин, К. О. Лисицкая // Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений: мат. IV Междунар. науч.-техн. конф. / Воронеж. гос. ун-т инж. технол. — Воронеж: ВГУИТ, 2014. — С. 608-610.

2. Савич, А. Н. Повышение эффективности обесцвечивания свеклосахарных сиропов с использованием целлюлозы [Текст] / А. Н. Савич, Ю. И. Сидоренко, Т. В. Шейко // Сахар. — 2009. — № 9. — С. 60-61.

3. Гердес, Э. Фильтрующие средства из целлюлозы в производстве сахара [Текст] / Э Гердес, С. Нойфельд // Сахар. — 2009. — № 7. — С. 62-63.

©Н.Г. Кульнева, Ю.С. Куценко,Е.Н. Астапова,2015

УДК 531.715.27

А.А.Кульчицкий, к.т.н., доцент кафедра автоматизации технологических процессов и производств Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Россия, Санкт-Петербург И.И.Абакумов, к.т.н., ассистент

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ КАЛИБРОВКИ КАМЕР ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ДЛЯ ПРОГРАММНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ

Аннотация

Рассмотрена проблема калибровки камер технического зрения по тест-объектам. Проведена оценка качества коррекции по стандартным алгоритмам National Instruments модуля технического зрения программного пакета LabVIEW при изменении положения тест-объекта.

Ключевые слова

Оптико-электронный контроль, техническое зрение, коррекция искажений.

I. Введение

В современном машиностроении наряду с системами активного контроля расширяется использование оптико-электронных систем пассивного типа контролирующих геометрические параметры деталей по их изображению. В системах пассивного типа для передачи измерительной информации используется световая энергия от посторонних источников, не связанных функционально с системой измерения. В оптикоэлектронных пассивных системах в качестве приемника измерительной информации применяются камеры технического зрения (КТЗ). Точность восприятия измерительной информации которых существенно зависит от совершенства оптическая части. Хотя современные объективы проектируются с использованием компьютеров для проведения сложных расчетов и моделирования высокого уровня, однако даже при такой технологии невозможно полностью устранить все искажения.

Измерению геометрических искажений изображения посвящено множество работ [1,2,5]. Условно их можно разделить на две группы.

86

Целлюлоза — обзор | Темы ScienceDirect

3.22.3.2 Целлюлоза

Целлюлоза — один из самых распространенных биоматериалов на Земле. Обычно он синтезируется растениями, но также вырабатывается некоторыми бактериями. Как и крахмал, целлюлоза является гомополимером глюкозы, но, в отличие от крахмала, мономеры глюкозы соединены связями β-1,4 (рис. 3.22.4B). Целлюлоза, жесткий, волокнистый и нерастворимый в воде полисахарид, играет важную роль в поддержании стабильности структуры клеточных стенок растений. ²⁰ Цепи целлюлозы расположены в микрофибриллах или связках полисахаридов, которые расположены в фибриллах (пучках микрофибрилл), которые, в свою очередь, составляют стенку растительной клетки. Такое расположение не только способствует устойчивости структур растений, но также предполагает, что целлюлоза является биоматериалом с высокой прочностью и другими превосходными механическими свойствами.

Целлюлозу синтезируют не только растения. Бактерии также способны продуцировать полисахарид. Синтез бактериальной целлюлозы наиболее подробно изучен у Acetobacter xylinum .Считается, что биологическая роль целлюлозы, продуцируемой бактериями, состоит в том, чтобы способствовать флокуляции или поддерживать определенную среду, такую ​​как аэробные условия или позволяя прикрепляться к растениям. ²¹ Бактериальная целлюлоза устроена аналогично растительной целлюлозе, поскольку полисахаридные цепи образуют микрофибриллы, а пучки микрофибрилл образуют ленты. ^22,23 В отличие от целлюлозы растительного происхождения, бактериальная целлюлоза имеет высокую чистоту и не требует отделения от лигнина при переработке.Также в отличие от растительной целлюлозы бактериальная целлюлоза обладает превосходными водоудерживающими свойствами; растительная целлюлоза может удерживать воду до 60%, тогда как бактериальная целлюлоза может удерживать воду до 1000% от веса образца целлюлозы. ²⁴ Превосходное удерживание воды бактериальной целлюлозой позволяет полимеру обладать высокой кристалличностью, но при этом он является гладким и пластичным, что делает его пригодным для использования в медицине, например, в качестве структурного компонента искусственных органов и кровеносных сосудов. ²²

Целлюлозосинтаза — это комплекс ферментов, который пронизывает клеточную мембрану растений и, в случае бактерий, всю клеточную стенку. И у растений, и у бактерий UDP-глюкоза (UDP-GLC) является ключевым промежуточным продуктом в синтезе целлюлозы. Комплекс синтазы целлюлозы использует фрагмент глюкозы из UDP-GLC, транспортирует глюкозу через клеточную мембрану или клеточную стенку и добавляет мономер к формирующейся внеклеточной целлюлозной цепи. ^23,25

Применения растительной и бактериальной целлюлозы многочисленны, и, как можно ожидать, некоторые применения больше подходят для одного типа целлюлозы, чем для другого.Целлюлоза является основным компонентом бумаги и бумажных изделий, а также текстильных изделий из хлопка, льна и других растительных волокон. ²⁴ Микрокристаллическая целлюлоза используется в качестве наполнителя как в фармацевтической, так и в пищевой промышленности. Целлюлозу можно превратить в целлофан или нитроцеллюлозу для использования в фотографических и бытовых целях, соответственно, а также в порох. Наноцеллюлоза или нанокристаллическая целлюлоза — это материал, который становится все более ценным для различных областей применения.Наноцеллюлозу получают путем кислотной обработки растительной или бактериальной целлюлозы. Как следует из названия, наноцеллюлоза имеет наноразмерные структуры, такие как волокна или кристаллы. Свойства наноцеллюлозы делают ее пригодной для таких приложений, как фотоника или оптоэлектроника. Кристаллизованная наноцеллюлоза была предложена в качестве сырья для упаковки пищевых продуктов и электроники. Кроме того, наноцеллюлоза может быть дериватизирована с различными химическими группами, что придает полимеру разные свойства.Этерификация наноцеллюлозы увеличивает гидрофобность и прочность материала, в то время как катионизация придает наноцеллюлозе чувствительность к pH, а также позволяет контролировать флокуляцию CO ₂ . В настоящее время, как и в случае со многими биополимерами, применение наноцеллюлозы ограничено из-за доступности и стоимости. ²⁶ С такими многообещающими применениями создается впечатление, что наноцеллюлоза является потенциальной ценной мишенью для метаболической инженерии микроорганизмов.

Что такое целлюлоза? Факты и функции

Целлюлоза [(C ₆ H ₁₀ O ₅ ) _n ] — это органическое соединение и самый распространенный биополимер на Земле.Это сложный углевод или полисахарид, состоящий из сотен и тысяч молекул глюкозы, связанных вместе в цепь. Хотя животные не производят целлюлозу, ее производят растения, водоросли, а также некоторые бактерии и другие микроорганизмы. Целлюлоза — основная структурная молекула в клеточных стенках растений и водорослей.

История

Французский химик Ансельм Пайен открыл и выделил целлюлозу в 1838 году. Пайен также определил химическую формулу. В 1870 году первый термопластический полимер, целлулоид, был произведен компанией Hyatt Manufacturing Company с использованием целлюлозы.Отсюда целлюлоза использовалась для производства вискозы в 1890-х годах и целлофана в 1912 году. Герман Штаудингер определил химическую структуру целлюлозы в 1920 году. В 1992 году Кобаяши и Шода синтезировали целлюлозу без использования каких-либо биологических ферментов.

Химическая структура и свойства

Целлюлоза образуется путем связывания субъединиц глюкозы.
NEUROtiker, Бен Миллс / Public Domain

Целлюлоза образуется через β (1 → 4) -гликозидные связи между звеньями D-глюкозы. Напротив, крахмал и гликоген образуются за счет α (1 → 4) -гликозидных связей между молекулами глюкозы.Связи в целлюлозе делают ее полимером с прямой цепью. Гидроксильные группы в молекулах глюкозы образуют водородные связи с атомами кислорода, удерживая цепи на месте и придавая волокнам высокую прочность на разрыв. В стенках растительных клеток несколько цепей соединяются вместе, образуя микрофибриллы.

Чистая целлюлоза не имеет запаха, вкуса, гидрофильна, нерастворима в воде и биоразлагаема. Он имеет температуру плавления 467 градусов по Цельсию и может разлагаться до глюкозы путем кислотной обработки при высокой температуре.

Функции целлюлозы

Целлюлоза поддерживает клеточную стенку растений.
ttsz / Getty Images

Целлюлоза — это структурный белок растений и водорослей. Волокна целлюлозы опутаны полисахаридной матрицей для поддержки стенок растительных клеток. Стебли растений и древесина поддерживаются целлюлозными волокнами, распределенными в лигниновой матрице, где целлюлоза действует как арматурный стержень, а лигнин действует как бетон. Самая чистая натуральная форма целлюлозы — это хлопок, который на 90% состоит из целлюлозы.Напротив, древесина состоит на 40-50% из целлюлозы.

Некоторые виды бактерий выделяют целлюлозу для образования биопленок. Биопленки обеспечивают поверхность прикрепления для микроорганизмов и позволяют им организовываться в колонии.

Хотя животные не могут производить целлюлозу, это важно для их выживания. Некоторые насекомые используют целлюлозу в качестве строительного материала и пищи. Жвачные животные используют симбиотические микроорганизмы для переваривания целлюлозы. Люди не могут переваривать целлюлозу, но это основной источник нерастворимых пищевых волокон, которые влияют на усвоение питательных веществ и способствуют дефекации.

Важные производные инструменты

Существует много важных производных целлюлозы. Многие из этих полимеров поддаются биологическому разложению и являются возобновляемыми ресурсами. Соединения, производные целлюлозы, как правило, нетоксичны и не вызывают аллергию. Производные целлюлозы включают:

• Целлулоид
• Целлофан
• Вискоза
• Ацетат целлюлозы
• Триацетат целлюлозы
• Нитроцеллюлоза
• Метилцеллюлоза
• Сульфат целлюлозы
• Этулоза
• Этилгидроксиэтилцеллюлоза
• Гидроксипропилметилцеллюлоза
• Карбоксиметилцеллюлоза (целлюлозная камедь)

Использование в коммерческих целях

Основное коммерческое использование целлюлозы — это производство бумаги, где крафт-процесс используется для отделения целлюлозы от лигнина.Волокна целлюлозы используются в текстильной промышленности. Хлопок, лен и другие натуральные волокна могут использоваться напрямую или обрабатываться для производства вискозы. Микрокристаллическая целлюлоза и порошковая целлюлоза используются в качестве наполнителей лекарств и пищевых загустителей, эмульгаторов и стабилизаторов. Ученые используют целлюлозу для фильтрации жидкостей и тонкослойной хроматографии. Целлюлоза используется в качестве строительного материала и электроизолятора. Он используется в повседневных бытовых материалах, таких как кофейные фильтры, губки, клеи, глазные капли, слабительные средства и пленки.В то время как целлюлоза из растений всегда была важным топливом, целлюлоза из отходов животноводства также может быть переработана для производства бутанольного биотоплива.

Источники

• Дхингра, Д; Майкл, М; Раджпут, H; Патил, Р. Т. (2011). «Диетическая клетчатка в продуктах питания: обзор». Журнал пищевой науки и технологий . 49 (3): 255–266. DOI: 10.1007 / s13197-011-0365-5
• Клемм, Дитер; Хойблен, Бриджит; Финк, Ханс-Петер; Бон, Андреас (2005). «Целлюлоза: увлекательный биополимер и экологически чистое сырье.» Angew. Chem. Int. Ed . 44 (22): 3358–93. DOI: 10.1002 / anie.200460587
• Mettler, Matthew S .; Mushrif, Samir H ​​.; Полсен, Алекс Д .; Javadekar, Ashay D .; Vlachos, Dionisios G .; Дауэнхауэр, Пол Дж. (2012). «Выявление химии пиролиза для производства биотоплива: превращение целлюлозы в фураны и малые оксигенаты». Energy Environ. Sci. 5: 5414–5424. DOI: 10.1039 / C1EE02743C
• Нишияма, Йошихару; Ланган, Пол; Шанзи, Анри (2002). «Кристаллическая структура и система водородных связей в целлюлозе Iβ по данным синхротронной рентгеновской дифракции и нейтронной волоконной дифракции.» J. Am. Chem. Soc . 124 (31): 9074–82. DOI: 10.1021 / ja0257319
• Стениус, Пер (2000). Лесная химия . Бумажная наука и технология. Vol. 3. Финляндия: Fapet OY. ISBN 978-952-5216-03-5.

(PDF) Источники целлюлозы и их применение — Обзор

Devabaktuni Lavanya et al. / IJDFR, том 2, выпуск 6, ноябрь.-Декабрь 2011

35 Devabaktuni Lavanya et al. / IJDFR volume 2 Issue 6, Nov.-Dec.2011

[9]. Вашингтон (2000). Weiner, Myra L .; Лоис А. Коткоски (2000). Токсичность и безопасность наполнителей. Нью-Йорк;

Деккер. п. 210.

[10]. Акира И.: Химическая модификация целлюлозы. в «Древесной и целлюлозной химии» (ред .: Hon D. N-S., ​​

Shiraishi N.) Марсель Деккер, Нью-Йорк, 599–626 (2001).

[11] Коннер А. Х .: Эксклюзионная хроматография целлюлозы и производных целлюлозы.в «Handbook of Size

Exclusion Chromatography» (изд .: Wu C-S.) Marcel Dekker, New York, 331–352 (1995).

[12] Куга С., Браун Р. М. Младший: Мечение серебром восстанавливающих концов бактериальной целлюлозы. Углеводы

Research, 180, 345–350 (1988).

[13] Саксена И. М., Боун Р. М .: Биосинтез целлюлозы: современные взгляды и развивающиеся концепции. Анналы ботаники,

96, 9–21 (2005).

[14] Ланган П., Нишияма Ю., Чанзи Х.: Пересмотренная структура и система водородных связей в целлюлозе II.

Из анализа дифракции нейтронов в волокне. Журнал Американского химического общества, 121, 9940–9946 (1999).

[15] Wada M., Heux L., Isogai A., Nishiyama Y., ChanzyH. Сугияма Дж .: Улучшенные структурные данные

целлюлозы IIII, приготовленной в сверхкритическом аммиаке. Macromolecules, 34, 1237–1243 (2001).

[16] Шанзи Х., Винсендон М., Хенриссат Б. и Таннер С. Ф., Белтон П.S .: Твердотельный 13C-ЯМР и электронная микроскопия

, исследование обратимого превращения целлюлозы I в целлюлозу IIII в Valonia. Carbohydrate Research,

160, 1–11 (1987).

[17] Булеон А., Чанзи Х .: Монокристаллы целлюлозы IVII. Приготовление и свойства. Journal of Polymer

Science: Polymer Physics Edition, 18, 1209–1217 (1980

[18] Клемм Д., Хойблин Б., Финк Х.П. Бонн А .: Целлюлоза: очаровательный биополимер и экологически чистый сырой материал

.Angewandte Chemie, International Edition, 44, 3358–3393 (2005).

[19] Браун Р. М. Позиционный документ: (1995) Микробная целлюлоза: новый ресурс для древесины, бумаги, текстиля,

Пищевые и специальные продукты. Техасский университет, http: / / www. Ботаника. utexas.

edu / facstaff / facpsages / mbrown / position1.htm

[20] Балтер М. (2009). Одежда создает (Ху) Человека. Наука, 325 (5946): 1329.

[21] Квавадзе Э., Бар-Йосеф О., Белфер-Коэн А., Боаретто Э., Джакели Н., Мацкевич З., Мешвелиани Т.

(2009). Волокна дикого льна возрастом 30 000 лет. Science, 325 (5946): 1359

[22] Журнал Whole Earth, № 90, лето 1997 г.

[] 23] Фарм ян ян, Ддудуку кришнях, Мариани раджин, Аванг боно * Экстракция целлюлозы из ядра пальмы

торт с использованием жидкофазного окисления. Журнал технических наук и технологий Vol. 4, No. 1 (2009) 57 —

68.

[24]. М. Мнуруддин, А. Чоудхури, С. А. Хак, М. Рахман, * С. Ф. Фархад, ** М.Sarwar jahan * и A.

Quaiyyum. Экстракция и характеристика целлюлозных микрофибрилл из сельскохозяйственных отходов в интегрированном целлюлозном химическом комплексе

biorefinery Initiative. техн., 45 (5-6), 347-354 (2011).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

синтез, функциональные свойства и приложения

Nanotechnol Sci Appl. 2015; 8: 45–54.

Johnsy George

Подразделение пищевой промышленности и упаковки, Оборонная исследовательская лаборатория пищевых продуктов, Сиддартанагар, Майсур, Карнатака, Индия

SN Sabapathi

Подразделение пищевой инженерии и упаковки, Оборонная исследовательская лаборатория пищевых продуктов, Сиддартанагар, Майсур, Карнатака

, Индия

Отдел пищевой инженерии и упаковки, Лаборатория оборонных исследований пищевых продуктов, Сиддартанагар, Майсур, Карнатака, Индия

Для корреспонденции: Джонси Джордж, Отдел пищевой инженерии и упаковки, Лаборатория оборонных исследований пищевых продуктов, Баннур-роуд, Сиддартанагар, Майсур 570 011, Карнатака, Индия, Email moc .Авторские права © 2015 Джордж и Сабапати. Эта работа опубликована Dove Medical Press Limited и находится под лицензией Creative Commons Attribution — Non Commercial (unported, v3.0) License. Полные условия лицензии доступны по адресу http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0 /. Некоммерческое использование работы разрешено без какого-либо разрешения Dove Medical Press Limited при условии правильной ссылки на эту статью. Эта статья цитируется в других статьях PMC.

Abstract

Нанокристаллы целлюлозы — это уникальные наноматериалы, полученные из наиболее распространенного и почти неисчерпаемого природного полимера — целлюлозы.Эти наноматериалы вызывают значительный интерес из-за их механических, оптических, химических и реологических свойств. Нанокристаллы целлюлозы, полученные в основном из натуральных целлюлозных волокон, являются биоразлагаемыми и возобновляемыми по своей природе, и, следовательно, они служат в качестве устойчивого и экологически чистого материала для большинства применений. Эти нанокристаллы в основном гидрофильны по своей природе; однако их поверхность может быть функционализирована для удовлетворения различных сложных требований, таких как разработка высокоэффективных нанокомпозитов с использованием гидрофобных полимерных матриц.Учитывая постоянно расширяющиеся междисциплинарные исследования нанокристаллов целлюлозы, этот обзор направлен на сопоставление имеющихся знаний об источниках, химической структуре и процедурах физической и химической изоляции, а также описывает механические, оптические и реологические свойства нанокристаллы целлюлозы. Выделены инновационные приложения в различных областях, таких как биомедицинская инженерия, материаловедение, электроника, катализ и т.д., в которых можно использовать эти нанокристаллы целлюлозы.

Ключевые слова: источники целлюлозы, механические свойства, жидкокристаллическая природа, модификация поверхности, нанокомпозиты

Введение

Целлюлоза — самый распространенный природный полимер, доступный на Земле, и важный структурный компонент клеточной стенки различных растения. Помимо растений, целлюлоза также присутствует в большом количестве живых видов, таких как водоросли, грибы, бактерии и даже в некоторых морских животных, таких как оболочники. ¹ Целлюлоза — это волокнистый, прочный и нерастворимый в воде полимер, который играет важную роль в поддержании структуры стенок растительных клеток.Более того, целлюлоза является биоразлагаемым, биосовместимым и возобновляемым природным полимером, и, следовательно, она считается альтернативой неразлагаемым полимерам на основе ископаемого топлива. Химическая структура целлюлозы () показывает, что полимер, образованный конденсацией, состоит из мономеров, соединенных гликозидными кислородными мостиками. Целлюлоза состоит из β-1,4-связанных звеньев глюкопиранозы, которые образуют высокомолекулярный линейный гомополимер, в котором каждое мономерное звено закручено на 180 ° по отношению к своим соседям. ² Повторяющейся единицей этого природного полимера является димер глюкозы, известный как целлобиоза. Степень полимеризации целлюлозы может варьироваться в зависимости от источника и составляет приблизительно 10 000 единиц глюкозы для древесной целлюлозы и 15 000 единиц для целлюлозы, полученной из хлопка. ³ Каждая единица глюкопиранозы несет три гидроксильные группы, которые придают целлюлозе некоторые характерные свойства, такие как гидрофильность, хиральность, способность к биологическому разложению и т.д., которые инициируются высокой реакционной способностью гидроксильных групп. ¹ Способность этих гидроксильных групп образовывать прочные водородные связи является основной причиной некоторых других свойств, таких как многомасштабная микрофибриллированная структура, иерархическая организация (кристаллические и аморфные фракции) и высокая когезионная природа. ⁴

Химическая структура целлюлозы, которая представляет собой линейный полимер, состоящий из звеньев β-D-глюкопиранозы, ковалентно связанных с (1–4) гликозидными связями.

Основные источники целлюлозы

Основными источниками целлюлозы являются растения; однако водоросли, бактерии и некоторые морские животные также способны производить целлюлозу в больших количествах. ⁵ Ниже приводится краткое описание основных источников.

Растения

Растения являются потенциальными основными источниками целлюлозы, поскольку их много и они относительно дешевы. Основным источником целлюлозы является древесная масса и хлопковые волокна. В настоящее время имеется крупномасштабная промышленная инфраструктура для их сбора, обработки и добычи. Широкий спектр других растительных материалов, таких как джут, рами, сизаль, лен, конопля и т. Д., Также являются хорошо известными источниками для производства целлюлозы. ⁶ Другие предприятия по производству целлюлозы включают водные растения, травы и некоторые части растений, такие как листья, стебли, фрукты и т. Д. Также используются сельскохозяйственные отходы, такие как пшеница и рисовая солома, жмых сахарного тростника, опилки, хлопковые конюшни и т. Д. для производства целлюлозы.

Водоросли

Природная целлюлоза является основным компонентом клеточной стенки многих видов водорослей, которые являются высококристаллическими. Различные типы водорослей, такие как красные, зеленые и желтые, известны для производства целлюлозы; однако зеленые водоросли являются наиболее предпочтительными для экстракции целлюлозы.Водоросли, производящие целлюлозу, относятся к отрядам Cladophorales ( Cladophora, Chaetomorpha, Rhizoclonium и Microdyction ) и Siphonocladales ( Valonia, Dictyosphaeria, Siphonocladus и 10 Boergesenia). ⁷ Целлюлоза, полученная из Valonia или Cladophora , обладает исключительно высокой степенью кристалличности, которая может достигать 95%. ⁸ В зависимости от процесса биосинтеза, происходящего у разных видов, свойства полученных микрофибрилл целлюлозы также могут различаться.

Бактерии

Некоторые виды бактерий, например Komagataeibacter xylinus , которые появляются в качестве загрязнителей во время ферментации уксуса, хорошо известны тем, что производят целлюлозу за счет использования большого количества источников азота и углерода. ⁹ K. xylinus продуцирует микрофибриллы целлюлозы в виде прозрачных, плоских и толстых пленок, плавающих на поверхности питательной среды. ¹⁰ Эти целлюлозные пленки содержат чистую целлюлозу вместе с большой долей воды и других ингредиентов среды.Разбавленные щелочные растворы способны гидролизовать и удалять примеси, присутствующие в пленке целлюлозы. ¹¹ После обработки щелочью и промывки целлюлозные пленки могут быть высушены и переработаны в мембраны из чистой целлюлозы. Целлюлоза микробного происхождения уникальна и имеет ряд преимуществ перед целлюлозой растительного происхождения, поскольку первая обладает лучшими свойствами, такими как 1) уникальная наноструктура, 2) чистота, 3) стабильность размеров, 4) большая механическая прочность и 5) большая способность к держать воду. ¹² Микробная целлюлоза идентична растительной целлюлозе с точки зрения ее молекулярной формулы и полимерной структуры, но две формы отличаются расположением гликозильных единиц в элементарных ячейках кристаллитов, что приводит к более высокой кристалличности первых. По сравнению с растительной целлюлозой микробная целлюлоза также демонстрирует высокую степень полимеризации и превосходные свойства.

Туникаты

Туникаты — это морские беспозвоночные морские животные, которые, как известно, производят целлюлозу в больших количествах.У этих животных толстая кожистая мантия, которая является хорошим источником целлюлозы. Целлюлоза действует как скелетная структура в тканях туники, которая представляет собой уникальную покровную ткань, покрывающую весь эпидермис туникатов. ¹³ Эти животные производят целлюлозу с использованием ферментных комплексов, присутствующих в мембране эпидермиса. Большое количество видов оболочников доступно в природе, и свойства полученной целлюлозы могут варьироваться от вида к виду. Структура и свойства микрофибрилл целлюлозы, полученных из разных видов, часто сопоставимы, но небольшие различия в процессе образования микрофибрилл целлюлозы могут повлиять на конечные свойства микрофибрилл.

Иерархическая структура целлюлозы

Целлюлоза синтезируется как отдельные молекулы с длинной цепью, но она подвергается вращению в иерархическом порядке в месте биосинтеза с образованием сборок целлюлозных волокон. Многие отдельные цепочки целлюлозы собираются вместе с образованием элементарных фибрилл (протофибрилл), имеющих приблизительный диаметр 3,5 нм. ¹⁴ В зависимости от источника диаметр элементарных фибрилл может варьироваться в диапазоне 2–20 нм, и они находятся в различных упаковках в зависимости от условий, регулирующих биосинтез.Микрофибриллы образуются в результате агрегации элементарных фибрилл путем коалесценции, которая используется в качестве механизма для уменьшения свободной энергии поверхностей. ¹⁵ Это явление агрегации поддерживается силами Ван-дер-Ваальса, а также внутри- и межмолекулярными водородными связями. Молекулы целлюлозы, которые объединяются с образованием микрофибрилл, имеют разную ориентацию в зависимости от источника. Агрегаты микрофибрилл также состоят из плотно упакованных цепей целлюлозы, которые образуют кристаллиты, которые стабилизируются сложными и прочными водородными связями, наряду с некоторыми менее упорядоченными цепями, которые образуют аморфные области. ¹⁶ В зависимости от меж- и внутримолекулярных взаимодействий и молекулярной ориентации целлюлоза может существовать в виде различных полиморфов или алломорфов. Уже идентифицировано шесть взаимозаменяемых полиморфов, а именно целлюлоза I, II, III _I , III _II , IV _I и IV _II , содержание которых варьируется в зависимости от источника целлюлозы. ¹⁷ Природная целлюлоза обычно имеет кристаллическую структуру целлюлозы I, но она снова подразделяется на алломорфы Iα и Iβ. ¹⁸ Целлюлоза Iα имеет триклинную структуру, тогда как Iβ имеет моноклинную кристаллическую структуру. ¹⁹ Целлюлоза, полученная из микробных и водорослевых источников, богата Iα, в то время как целлюлоза, образующая клеточные стенки высших растений, богата Iβ. Эти микрофибриллы собираются в более крупные единицы, называемые макрофибриллами, и они, в свою очередь, собираются вместе, образуя знакомые целлюлозные волокна.

Нанокристаллы целлюлозы и их выделение

Природная объемная целлюлоза состоит из высокоупорядоченных кристаллических областей, а также некоторых неупорядоченных (аморфных) областей в различных пропорциях, в зависимости от ее источника. ²⁰ Когда эти микрофибриллы подвергаются надлежащей комбинации механической, химической и ферментативной обработки, высококристаллические области микрофибрилл целлюлозы могут быть извлечены, что приводит к образованию нанокристаллов целлюлозы (CNC). ²¹ ЧПУ представляют собой жесткие стержневидные частицы, состоящие из сегментов целлюлозной цепи с почти идеальной кристаллической структурой. Эти нанокристаллы также называют нитевидными кристаллами, наночастицами, нановолокнами, микрокристаллитами и т. Д., Но наиболее широко принятая номенклатура — это ЧПУ. ² По сравнению с целлюлозой в массе, которая имеет большее количество аморфных фракций, эти нанокристаллы обладают высокой удельной прочностью, модулем, большой площадью поверхности и уникальными жидкокристаллическими свойствами.

Несколько механических процессов, таких как гомогенизация под высоким давлением, высокоинтенсивная ультразвуковая обработка, методы микрофлюидизации, криодробление и т. Д., Были использованы для извлечения микрофибрилл целлюлозы. Эти механические процессы создают достаточные силы сдвига, чтобы разделить волокна целлюлозы вдоль продольной оси и помочь извлечь микрофибриллы целлюлозы.Каждая микрофибрилла целлюлозы лишена складывания цепи и может рассматриваться как цепочка кристаллов целлюлозы, связанных вдоль микрофибриллы неупорядоченными или паракристаллическими участками. ²² Химический метод преобразования микрофибрилл целлюлозы в ЧПУ лучше, чем механический, поскольку первый снижает потребление энергии, а также дает стержневидные короткие нанокристаллы с улучшенной кристалличностью. Лентообразные образцы нановолокон, полученные из древесной целлюлозы после механического рафинирования, имеют более низкую кристаллическую фракцию (0.05–0,55) по сравнению с ЧПУ из стержневой древесины (0,6), полученной после кислотного гидролиза. ²³ Сильный кислотный гидролиз обычно используется для удаления аморфных доменов, которые равномерно распределены вдоль микрофибрилл. Сильные кислоты могут легко проникать в аморфные области, имеющие низкий уровень порядка, и гидролизовать их, не затрагивая кристаллические области.

Коллоидные суспензии целлюлозы были впервые синтезированы Ранби ²⁴ в 1951 году с использованием контролируемого разложения целлюлозных волокон, катализируемого серной кислотой.Деградация, вызванная кипячением целлюлозных волокон в кислом растворе, достигла предела после определенного периода обработки. Просвечивающая электронная микроскопия и исследования дифракции электронов подтвердили присутствие игольчатых частиц целлюлозы, которые имели ту же кристаллическую структуру, что и исходные волокна целлюлозы. ^{25 , 26} Кислотный гидролиз целлюлозы с последующей обработкой ультразвуком, позже привел к развитию микрокристаллической целлюлозы. ²⁷ Различия в кинетике гидролиза между аморфными и кристаллическими доменами привели к селективному разрыву целлюлозных цепей. ²⁸ В результате кислотного гидролиза наблюдалось быстрое снижение степени полимеризации, которое достигло порогового уровня, известного как граничная степень полимеризации (LODP). Значение LODP варьируется в зависимости от происхождения целлюлозы, где целлюлоза, полученная из хлопка, имеет LODP 250, 300 для волокон рами, 140–200 для волокон беленой древесной массы и до 6000 для целлюлозы, полученной из Valonia . ^{29 — 32} CNC, полученные кислотным гидролизом целлюлозы из бактерий, оболочников или Valonia , демонстрируют высокую полидисперсность по молекулярной массе без каких-либо доказательств LODP, вероятно, из-за отсутствия регулярного распределение аморфных доменов. Сообщалось о новой концепции получения целлюлозных наноматериалов, в которой ферментативный гидролиз использовался в сочетании с механическим сдвигом и гомогенизацией под высоким давлением, что приводило к контролируемой фибрилляции вплоть до наномасштаба для производства целлюлозных наноматериалов диаметром ~ 5-6 нм. ³³ Бактериальные ЧПУ, как сообщается, также были выделены с использованием коммерчески доступного фермента целлюлазы в сочетании с механическим сдвигом, который изображен на. ³⁴ Нанокристаллы, полученные этим способом, показали лучшие механические и термические свойства по сравнению с нанокристаллами, полученными при гидролизе серной кислоты.

Бактериальные нанокристаллы целлюлозы, выделенные с использованием коммерчески доступного фермента целлюлазы в сочетании с механическим сдвигом.

Примечания: АСМ-изображения бактериальных целлюлозных волокон ( A ), бактериальных целлюлозных волокон после механического разрушения ( B ), нанокристаллов бактериальной целлюлозы, полученных ферментной обработкой через 12 часов ( C ) и остатков, полученных после завершения гидролиз ( D ).Перепечатано из Джорджа Дж., Раманы К.В., Бава А.С., Сиддарамайя. Нанокристаллы бактериальной целлюлозы, обладающие высокой термической стабильностью, и их полимерные нанокомпозиты. Inter J Biol Macromol , 2011; 48: 50–57. ³⁴ Авторские права © 2011, с разрешения Elsevier Limited.

Сокращение: АСМ, атомно-силовая микроскопия.

Продолжительный гидролиз может привести к дальнейшему снижению молекулярной массы, и, следовательно, для получения CNC кислотный гидролиз должен быть остановлен после достижения LODP. ³⁵ Высококристаллические домены целлюлозы устойчивы к гидролизу в течение более длительного времени по сравнению с неупорядоченными или аморфными областями и, следовательно, их можно легко отделить от кислой среды. Условия обработки, используемые во время процесса гидролиза, такие как время реакции, используемая температура и т. Д., Очень важны для контроля выхода и качества ЧПУ. При недостаточном времени гидролиза остаются аморфные фракции, что может привести к снижению кристалличности и изменению морфологии частиц.Точно так же продолжение реакции в течение длительного времени может привести к деполимеризации кристаллической целлюлозы, что снижает аспектное отношение нанокристаллов. Температура также является критическим фактором, поскольку более высокие температуры реакции оказываются эффективными для получения более коротких ЧПУ. ³⁶

Размеры ЧПУ

Геометрические размеры ЧПУ, такие как длина и ширина, могут варьироваться в зависимости от происхождения микрофибрилл целлюлозы и условий кислотного гидролиза, таких как время, температура, чистота и т. Д.CNC демонстрирует относительно широкое распределение по длине и ширине из-за контролируемой диффузией природы процесса гидролиза. Размеры ЧПУ в зависимости от источника и метода подготовки приведены в.

Таблица 1

Обзор размеров нанокристаллов целлюлозы в зависимости от источника и метода приготовления

9045

Средняя длина стержнеобразной частицы может варьироваться от десятков нанометров до нескольких микрометров, а ширина колеблется от От 3 нм до 50 нм.Сообщалось, что ЧПУ, полученные из дерева, имели диаметр и длину в диапазоне 3-5 нм и 100-300 нм, соответственно. ³⁷ ЧПУ, полученные из хлопка, имели диаметр 5–10 нм и длину 100–150 нм, а ЧПУ Рами — 70–200 нм и 5–15 нм, соответственно. ^{38 , 39} Аналогичным образом ЧПУ из сизаля показало длину в диапазоне 100–300 нм и диаметр в диапазоне 3–5 нм. ⁴⁰ Морские водоросли, такие как Valonia ventricosa , производят ЧПУ, имеющие размеры в диапазоне диаметров 20 нм и длины 1000–2000 нм, в то время как морские животные, такие как оболочники, производят нанокристаллы диаметром 10–20 нм и 500–2000 нм. длина. ^{41 , 42} ЧПУ, полученные из бактериальной целлюлозы путем гидролиза HCl, имеют диаметр и длину в диапазоне 10–20 нм и 100–300 нм соответственно, в то время как H ₂ SO ₄ гидролиз, произведен бактериальный ЧПУ с более высоким соотношением сторон. ^{43 , 44} Геометрическое соотношение сторон ЧПУ, которое представляет собой отношение длины к диаметру (L / D), очень важно при определении армирующей способности ЧПУ.ЧПУ с высоким соотношением сторон обычно демонстрируют лучшую армирующую способность. Соотношение сторон также играет важную роль в формировании перколированных сеток, которые улучшают механические характеристики полимерных нанокомпозитов. ⁴⁵

Свойства ЧПУ

Важные свойства ЧПУ можно описать в трех основных категориях, которые кратко обсуждаются следующим образом.

Механические свойства

Ограничения при измерении механических свойств наноматериалов по нескольким осям сделали количественную оценку модуля упругости и прочности ЧПУ чрезвычайно сложной задачей.В дополнение к этому на результаты также могут влиять различные факторы, такие как анизотропия, дефекты в нанокристаллах, процент кристалличности, размеры образцов и т. Д. Для расчета упругих свойств ЧПУ использовались теоретические расчеты и косвенные экспериментальные измерения с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеноструктурного анализа, неупругого рассеяния рентгеновских лучей, комбинационного рассеяния света и т. Д. ⁴⁶ Теоретическая прочность на разрыв ЧПУ оказалась в диапазоне 7.5–7,7 ГПа, что намного больше, чем у стальной проволоки и кевлара ^® -49. ⁴⁶ В другом исследовании модуль упругости ЧПУ, полученный из оболочки, был определен с помощью АСМ, при этом наконечник АСМ использовался для выполнения испытания на трехточечный изгиб. Модули упругости ЧПУ составили ~ 150 ГПа. ⁴⁷ Используя AFM, поперечный модуль упругости ЧПУ также был определен путем сравнения экспериментальных кривых сила-расстояние с трехмерными конечно-элементными расчетами. ⁴⁸ Это измерение подтвердило, что поперечный модуль упругости отдельного ЧПУ находится в диапазоне 18–50 ГПа. Анализ микромеханики деформации нитевидных кристаллов целлюлозы с помощью рамановской спектроскопии показал, что рассчитанный модуль ЧПУ оболочки составляет ~ 143 ГПа. ⁴⁹

Жидкокристаллическая природа ЧПУ

В подходящих условиях и при критических концентрациях все асимметричные стержневидные или пластинчатые частицы спонтанно образуют упорядоченные структуры, что приводит к образованию нематической фазы.Стержневые ЧПУ при диспергировании в воде самоустанавливаются, образуя хиральные нематические фазы с жидкокристаллическими свойствами. Их жесткость, соотношение сторон и способность выравниваться при определенных условиях делают их идеальными для проявления жидкокристаллического поведения. Однако известно, что кристаллиты целлюлозы имеют спиральное закручивание вниз по длинной оси, подобное винту, которое может приводить либо к хиральному нематику, либо к холестерической фазе сложенных плоскостей, расположенных вдоль перпендикулярной оси, в зависимости от концентрации. ⁴⁶ Различные факторы, такие как размер, заряд, форма, дисперсность, электролит и внешние воздействия, также могут влиять на жидкую кристалличность ЧПУ. Жидкостная кристалличность нанокристаллов в сочетании с двойным лучепреломлением приводит к интересным оптическим явлениям. Тип кислоты, используемой для гидролиза, также может влиять на жидкокристаллическую природу. ЧПУ, полученное гидролизом серной кислоты, часто имеет отрицательно заряженную поверхность, что способствует равномерному диспергированию в воде за счет электростатического отталкивания. ⁵⁰ Несмотря на то, что взаимодействия между нанокристаллами сильны, высокосульфированный CNC легко диспергируется, и это приводит к развитию лиотропного поведения. ⁵¹ ЧПУ на основе серной и фосфорной кислот обычно дают хиральную нематическую структуру, тогда как ЧПУ на основе соляной кислоты с постреакционным сульфированием образуют двулучепреломляющую стеклообразную фазу.

Реологические свойства

Реологические параметры ЧПУ зависят от таких свойств, как жидкая кристалличность, упорядоченность и свойства гелеобразования.Разбавленные суспензии CNC демонстрируют истончение при сдвиге, которое проявляет концентрационную зависимость при низких скоростях. При более высоких концентрациях, в которых суспензии лиотропны, они проявляют аномальное поведение. Основная причина такого поведения заключается в том, что нанокристаллы в форме стержней имеют тенденцию выравниваться с критической скоростью сдвига. Когда скорость сдвига достигает критической точки, хиральность подвески с ЧПУ нарушается в пользу простой нематической структуры. ⁵² Кроме того, постоянная времени релаксации зависит от соотношения сторон, и ЧПУ с более высоким соотношением сторон остаются выровненными в течение более длительного времени даже после сдвига.Тип кислоты, используемой для гидролиза, также может влиять на реологические свойства суспензий CNC. Кристаллы, обработанные серной кислотой, демонстрируют некоторое разжижение при сдвиге, которое не зависит от времени, в то время как кристаллы, полученные из HCl, демонстрируют гораздо более высокие характеристики разжижения при сдвиге, антитиксотропию при более низких концентрациях и тиксотропию при более высоких концентрациях. ⁵³

Модификация поверхности ЧПУ

ЧПУ имеют очень высокое отношение поверхности к объему, а также большое количество гидроксильных групп, что делает их пригодными для многих типов функционализации поверхности.Путем введения какой-либо химической функциональности на их поверхность можно изменить тип взаимодействия материала с окружающей средой. Обычно используемые поверхностные функционализации для ЧПУ — это этерификация, этерификация, окисление, амидирование, карбаматирование, нуклеофильное замещение, силилирование, прививка полимера и т. Д. ⁵⁴ Основным преимуществом химической функционализации является то, что она может создавать отрицательные или положительные электростатические заряды на ЧПУ поверхность, которая в конечном итоге обеспечивает лучшее диспергирование в любом растворителе / ​​полимере.Это также помогает настроить характеристики поверхностной энергии для улучшения совместимости, особенно при использовании вместе с неполярными или гидрофобными полимерными матрицами. ² Этерификация включает превращение поверхностных гидроксилов целлюлозы в сложные эфиры. Сульфатирование и фосфорилирование — некоторые из наиболее часто используемых реакций этерификации целлюлозы. Этерификация — еще одна важная химическая модификация, и наиболее распространенной практикой является использование хлорида глицидилтриметиламмония или его производных для катионизации поверхности целлюлозы. ⁵⁵ Условия мягкой щелочной катионизации сохраняют кристаллическую морфологию и размеры ЧПУ. ⁵⁶ ЧПУ с карбоксилированной поверхностью с различными размерами и степенями окисления были синтезированы с использованием окисления хлопка, опосредованного ТЕМПО (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил) оксил). ⁵⁷ В технике амидирования окисленные CNC использовали в качестве исходного материала, посредством чего фрагменты карбоновой кислоты превращались в амидные продукты путем их реакции с первичным амином. ⁵⁸ Араки и др. Применили этот метод для ковалентного связывания полиэтиленгликоля с поверхностью целлюлозы, и были синтезированы стабилизированные суспензии ЧПУ в различных растворителях. ³⁸ В реакции карбаматирования изоцианаты использовались для модификации ЧПУ. О модификации поверхности ЧПУ с использованием изоцианатов сообщили Сикейра и др., Которые модифицировали ЧПУ на основе сизаля с помощью n -октадецилизоцианата без какого-либо катализатора. ⁵⁹ Силаны также можно прививать на ЧПУ, что является одним из методов, используемых для улучшения взаимодействия с полимерными матрицами.Пожалуй, химическая модификация ЧПУ наиболее полезна при создании полимерных нанокомпозитных материалов. Однако основная проблема в этом процессе заключается в сохранении исходной морфологии и сохранении целостности ЧПУ.

Применения ЧПУ

ЧПУ — подходящий наноматериал для широкого спектра применений, таких как иммобилизация ферментов, синтез антимикробных и медицинских материалов, зеленый катализ, биосенсор, синтез носителя лекарства в терапевтической и диагностической медицине и т. Д. ^{60 , 61} Эти наноматериалы предлагают несколько потенциальных преимуществ в качестве наполнителей для доставки лекарств благодаря своим свойствам, таким как меньший размер, гидрофильность, биосовместимость и т. Д. ⁶² Благодаря очень большой площади поверхности и возможности приобретения отрицательного заряда во время гидролиза большие количества лекарств могут связываться с поверхностью этих материалов с потенциалом для оптимального контроля дозирования. ⁶² В одном из таких отчетов ЧПУ, полученные из древесины хвойных пород, использовались для связывания ионизируемых лекарств, таких как тетрациклин и доксорубицин, которые могли быстро высвобождаться в течение однодневного периода. ⁶³ Обильные поверхностные гидроксильные группы, присутствующие в нанокристаллах, обеспечивают участки для модификации поверхности с помощью ряда химических групп. Модификация поверхности может использоваться для регулирования загрузки и высвобождения лекарств, которые обычно не связываются с целлюлозой, таких как неионизированные или гидрофобные лекарства. ⁶⁴ Аэрогели на основе ЧПУ также вызывают растущий интерес в биомедицинских и фармацевтических приложениях из-за их структуры с открытыми порами и большой площади поверхности, которые могут обеспечить повышенную биодоступность лекарственного средства и лучшую способность к загрузке лекарственного средства. ⁶⁵ Сообщалось, что высокопористые аэрогелевые каркасы из наноцеллюлозы обеспечивают замедленное высвобождение лекарств, что также открывает новые возможности в качестве носителей для контролируемой доставки лекарств. ⁶⁶

Использование ЧПУ для различных приложений может быть двух широких типов: один тип включает использование функционализированных или нефункционализированных ЧПУ в синтезированном виде, а другой предполагает использование полимерных нанокомпозитов, в которых ЧПУ действует как усиливающий агент. . Благодаря своим отличительным свойствам, ЧПУ после синтеза имеют потенциал для использования в различных и разнообразных приложениях, начиная от таких продуктов, как нанобумага, барьерные пленки и датчики pH, и заканчивая стабилизацией границ раздела масло / вода и производством эмульсий Пикеринга. с выдающейся стабильностью и т. д., но полимерные нанокомпозиты с ЧПУ имеют гораздо больше применений. ^{67 — 70}

Полимерный нанокомпозит — это многофазный материал, в котором полимерная фаза армирована наноматериалом. Эти полимерные нанокомпозиты демонстрируют уникальные свойства благодаря своему нанометровому размеру и увеличенной площади поверхности армирующего материала. ЧПУ используется в качестве несущего компонента во многих полимерных нанокомпозитных системах, поскольку он может значительно улучшить механические свойства даже при очень низких объемных долях.Кроме того, его высокое соотношение сторон, хорошая дисперсия в гидрофильных системах и способность образовывать перколированную сетчатую архитектуру внутри полимерной матрицы делают его широко предпочтительным армирующим компонентом. В области полимерных нанокомпозитов ЧПУ также используются в качестве модельных нанонаполнителей с определенной морфологией для придания достаточной прочности и модуля. Для изготовления нанокомпозитов используются как натуральные, так и синтетические полимеры. Некоторые природные полимеры, такие как крахмал, хитозан, натуральный каучук, бутират ацетата целлюлозы, карбоксиметилцеллюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза, желатин и соевый белок, используются в приготовлении нанокомпозитов. ^{71 — 77} Аналогичным образом используются несколько синтетических полимеров, таких как поливиниловый спирт (ПВС), поливинилхлорид, полиэтилен, поликапролактон, полипропилен и полиуретан. ^{78 — 82}

Основная проблема в достижении отличных характеристик заключается в достижении однородной дисперсии нанокристаллов в полимерной матрице и хорошем взаимодействии матрицы и наполнителя. Хорошая диспергируемость ЧПУ в полимерной матрице является предпосылкой для создания полимерных нанокомпозитов с лучшими свойствами, поскольку неоднородная дисперсия наполнителя в полимерной матрице снижает конечные механические свойства нанокомпозитного материала. ⁸³ ЧПУ могут образовывать стабильные коллоидные дисперсии в воде и, следовательно, они лучше всего подходят для водорастворимых или вододиспергируемых полимеров, таких как латексы. Однако стабильные дисперсии наночастиц целлюлозы в неполярных растворителях также можно получить с помощью поверхностно-активных веществ или поверхностной химической прививки. Среди них в некоторых случаях лучше использовать метод прививки полимера из-за наличия ковалентной связи между компатибилизатором и нанокристаллом. ⁸⁴ Кроме того, если привитые цепи и матрица одинаковы, может быть получена лучшая совместимость за счет образования совместной непрерывной фазы.

С помощью метода химической прививки различные функциональные молекулы, такие как флуоресцентные молекулы, ДНК и т. Д., Также могут быть прикреплены к поверхности ЧПУ, что может быть использовано для закрепления в биологической среде. Также возможно диспергировать нитевидные кристаллы целлюлозы в органическом растворителе без добавления поверхностно-активного вещества или какой-либо химической модификации. ⁸⁵ Кроме того, в некоторых случаях лучшее диспергирование ЧПУ приводит к образованию перколированной сетки нанокристаллов внутри полимерной матрицы, что также способствует улучшению свойств полимерных нанокомпозитов.

Эти типы нанокомпозитов используются для изготовления биомиметической пены, упрочненной бумаги, гибких панелей для плоских дисплеев, водоотталкивающих материалов и бумаги с высоким уровнем защиты. ^{86 — 89} Они также полезны для различных биомедицинских применений, таких как пластыри для заживления ран, каркасы тканевой инженерии, гидрогели для клинических и фармакологических применений и т. Д. Учитывая биосовместимость ЧПУ и возможность химических модификаций, таких как флуоресцентная маркировка, ЧПУ потенциально полезны в области биомедицинских приложений, таких как биосенсоры, биозонды, флуоресцентные биоанализы, приложения для биовизуализации и т. д. ⁹⁰ Флуоресцентно меченые ЧПУ позволяют использовать флуоресцентные методы для изучения взаимодействия между ЧПУ и живыми клетками in vivo. ⁹¹ ЧПУ также способны формировать высокофункциональные нанокомпозиты для таких применений, как материалы для ультратонких пленочных покрытий. ⁹² ЧПУ также можно использовать для стабилизации наночастиц с определенными функциями для конкретных приложений. Полимерные нанокомпозиты, содержащие ЧПУ, также используются для разработки мембран, волокон, тканей, батарей, суперконденсаторов, электроактивных полимеров, а также датчиков и исполнительных механизмов, которые используют электромеханические отклики. ^{93 , 94} Одна из будущих областей применения, в которой полимерные нанокомпозиты с ЧПУ могут оказать влияние, — это биоразлагаемые упаковочные материалы. Включение ЧПУ может значительно улучшить механические характеристики, термическую стабильность, барьерные и оптические свойства благодаря улучшенной кристалличности и лучшему межфазному взаимодействию. Биоразлагаемые нанокомпозитные пленки с превосходными свойствами также могут найти свое применение в областях упаковки пищевых продуктов и биомедицины, где очень необходима более низкая проницаемость для влаги, газов, аромата и масла. ⁹⁵ В одном исследовании сообщалось о барьерных мембранах на основе ПВС, содержащих различное количество ЧПУ. ⁹⁶ Было обнаружено, что эти мембраны, содержащие до 10 весовых процентов ЧПУ, снижают скорость прохождения водяного пара. Присутствие высококристаллических нанокристаллов может увеличить извилистость водяного пара внутри полимера, что приведет к более медленному процессу диффузии и, следовательно, к более низкой проницаемости. Барьерные свойства улучшаются, если наполнитель является менее проницаемым и имеет хорошую дисперсию в матрице наряду с высоким соотношением сторон.Тем не менее, многие научные и технологические проблемы должны быть решены в нескольких областях, таких как оптимизация подходящих технологий обработки для снижения стоимости производства, обеспечение совместимости между продуктами и упаковочными материалами, соблюдение нескольких законодательных требований в отношении упаковки и т. Д., Прежде чем получить действительно биоразлагаемый упаковочный материал. это удовлетворяет как отраслевые требования, так и ожидания потребителей.

Заключение

ЧПУ является уникальным среди ряда других наноструктурированных материалов благодаря своим преимуществам, таким как возобновляемый, экологически чистый, нетоксичный и биосовместимый наноматериал.Благодаря нанометрическим размерам, большому соотношению сторон и отличным механическим и химическим свойствам, ЧПУ имеет множество потенциальных применений во многих областях, включая материаловедение, электронику и медицину. Развивающиеся промышленные процессы экстракции для получения ЧПУ в больших количествах необходимо оптимизировать для достижения большей производительности и качества. До сих пор большая часть исследований была сосредоточена на характеристике морфологических, механических, оптических и жидкокристаллических свойств ЧПУ, но изучение различных процессов модификации поверхности для управления функциональностью ЧПУ без влияния на присущие ему свойства будет основным направлением будущих исследований. .Такой подход сделает ЧПУ привлекательным для использования в широком спектре промышленных приложений, таких как высокоэффективное биоразлагаемое материаловедение, электроника, биомедицинская инженерия, доставка лекарств, катализ и т. Д. Инновации в этой области могут привести к созданию универсальных наноматериалов с улучшенными свойствами. В полимерных нанокомпозитных системах достижение однородной дисперсии и распределения ЧПУ в полимерной матрице по-прежнему является сложной задачей, поскольку часто встречается агломерация или агломерация. Индивидуальный процесс химической модификации необходим для эффективного включения ЧПУ в различные полимерные матричные системы.Ожидается, что инновации в области нанотехнологий, связанные с возобновляемыми наноматериалами, такими как ЧПУ, предоставят технологически продвинутые продукты, не наносящие вреда окружающей среде.

Сноски

Раскрытие информации

Авторы сообщают об отсутствии конфликта интересов в этой работе.

Ссылки

1. Клемм Д., Хейблеин Б., Финк Х.П., Бон А. Целлюлоза: великолепный биополимер и экологически чистое сырье. Angew Chem Int Ed. 2005; 44: 3358–3393. [PubMed] [Google Scholar] 2.Хабиби Ю., Люсия Л.А., Рохас О.Дж. Нанокристаллы целлюлозы: химия, самосборка и приложения. Chem Rev.2010; 110: 3479–3500. [PubMed] [Google Scholar] 3. Шостром Э. Химия древесины: основы и приложения. 2-е изд. Калифорния: Academic Press Inc; 1993. [Google Scholar] 4. Lavoine N, Desloges I, Dufresne A, Bras J. Микрофибриллированная целлюлоза — ее барьерные свойства и применение в целлюлозных материалах: обзор. Carbohydr Polym. 2012; 90: 735–764. [PubMed] [Google Scholar] 5. Джордж Дж., Сабапати С.Н., Сиддарамия.Водорастворимые нанокомпозиты на основе полимеров, содержащие нанокристаллы целлюлозы. В: Тхакур В.К., Тхакур М.К., редакторы. Экологичные полимерные нанокомпозиты. Vol. 75. Springer; Индия, Нью-Дели: 2015. С. 259–293. [Google Scholar] 6. Eichhorn SJ, Baillie CA, Zafeiropoulos N, Mwaikambo LY, Ansell MP и др. Обзор: текущие международные исследования целлюлозных волокон и композитов. J Mater Sci. 2001; 36: 2107–2131. [Google Scholar] 7. Мигранян А. Целлюлоза из зеленых водорослей cladophorales: от экологической проблемы к высокотехнологичным композиционным материалам.J Appl Polym Sci. 2011; 119: 2449–2460. [Google Scholar] 8. Сугияма Дж., Вуонг Р., Чанзи Х. Электронно-дифракционное исследование двух кристаллических фаз, возникающих в нативной целлюлозе из клеточной стенки водорослей. Макромол. 1991; 24: 4168–4175. [Google Scholar] 9. Масаока С., Охе Т., Сакота Н. Производство целлюлозы из глюкозы с помощью Acetobacterxylinum. J Ferment Bioeng. 1993; 75: 18–22. [Google Scholar] 10. Джордж Дж., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Бава А.С. Физико-механические свойства химически обработанной бактериальной (Acetobacterxylinum) целлюлозной мембраны.Мир J Microbiol Biotechnol. 2005; 21: 1323–1327. [Google Scholar] 11. Джордж Дж., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Джаганнатх Дж. Х., Бава А.С. Характеристика химически обработанного бактериального (Acetobacterxylinum) биополимера: некоторые термомеханические свойства. Int J Biol Macromol. 2005. 37: 189–194. [PubMed] [Google Scholar] 12. Браун RM., Jr. Бактериальная целлюлоза. В: Кеннеди, Филипс, Уильямс, редакторы. Целлюлоза: структурные и функциональные аспекты. Эллис Хорвуд; Чичестер: 1989. С. 145–151. [Google Scholar] 13.Чжао Ю., Ли Дж. Превосходная химическая и материальная целлюлоза из оболочников: разнообразие в производстве целлюлозы, а также химические и морфологические структуры из разных видов оболочников. Целлюлоза. 2014; 21: 3427–3441. [Google Scholar] 14. Фрей-Висслинг А. Тонкая структура микрофибрилл целлюлозы. Наука. 1954; 119: 80–82. [PubMed] [Google Scholar] 15. Петерлин А., Ингрэм П. Морфология вторичных фибрилл стенки хлопка. Textile Res J. 1970; 40: 345–354. [Google Scholar] 16. Mazeau K, Heux L. Моделирование молекулярной динамики объемной природной кристаллической и аморфной целлюлозы.J. Phys Chem B. 2003; 107: 2394–2404. [Google Scholar] 17. Бринчи Л., Котана Ф, Фортунати Э, Кенни Дж. М.. Производство нанокристаллической целлюлозы из лигноцеллюлозной биомассы: технология и применение. Carbohydr Polym. 2013; 94: 154–169. [PubMed] [Google Scholar] 18. Аталла Р.Х., Вандерхарт Д.Л. Самородная целлюлоза: смесь двух различных кристаллических форм. Наука. 1984. 223: 283–285. [PubMed] [Google Scholar] 19. Дебзи Э.М., Чанзи Х., Сугияма Дж., Текели П., Экскоффье Г. Превращение Iα → Iβ высококристаллической целлюлозы путем отжига в различных средах.Макромол. 1991; 24: 6816–6822. [Google Scholar] 20. Ньюман Р. Х., Хеммингсон Дж. А. ЯМР углерода-13: различие между категориями молекулярного порядка и беспорядка в целлюлозе. Целлюлоза. 1995; 2: 95–110. [Google Scholar] 21. Домингес Р.М., Гомес М.Э., Рейс Р.Л. Потенциал нанокристаллов целлюлозы в стратегиях тканевой инженерии. Биомакромолекулы. 2014; 15: 2327–2346. [PubMed] [Google Scholar] 22. де Соуза Лима М.М., Борсали Р. Стержневые микрокристаллы целлюлозы: структура, свойства и применение. Macromol Rapid Comm.2004. 25: 771–787. [Google Scholar] 23. Sacui IA, Nieuwendaal RC, Burnett DJ, Stranick SJ, Jorfi M и др. Сравнение свойств нанокристаллов целлюлозы и нанофибрилл целлюлозы, выделенных из бактерий, оболочников и древесины, обработанной кислотными, ферментативными, механическими и окислительными методами. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2014; 6: 6127–6138. [PubMed] [Google Scholar] 24. Ранби Б.Г. Коллоидные свойства мицелл целлюлозы. Обсудите Faraday Soc. 1951; 11: 158–164. [Google Scholar] 25. Мукерджи С.М., Сикорски Дж., Вудс Х.Дж.Электронная микроскопия разрушенных целлюлозных волокон. J Text Inst. 1952; 43: T196 – T201. [Google Scholar] 26. Мукерджи С.М., Вудс Х.Дж. Рентгеновские и электронные микроскопические исследования разложения целлюлозы серной кислотой. Био хим Био физ Acta. 1953; 10: 499–511. [PubMed] [Google Scholar] 27. Баттиста О.А., Смит П.А.. Микрокристаллическая целлюлоза. J Ind Eng Chem. 1962; 54: 20–29. [Google Scholar] 28. Marchessault RH, Morehead FF Koch JM. Гидродинамические свойства нейтральных суспензий кристаллитов целлюлозы в зависимости от размера и формы.J Colloid Sci. 1961; 16: 327–344. [Google Scholar] 29. Баттиста О.А. Гидролиз и кристаллизация целлюлозы. Ind Eng Chem. 1950; 42: 502–507. [Google Scholar] 30. Nishiyama Y, Kim UJ, Kim DY, Katsumata KS, May RP, Langan P. Периодическое расстройство микрофибрилл целлюлозы рами. Биомакромолекулы. 2003; 4: 1013–1017. [PubMed] [Google Scholar] 31. Баттиста О. А., Коппик С., Хоусмон Дж. А., Морхед Ф. Ф., Сиссон В. А.. Выровняйте степень полимеризации. Ind Eng Chem. 1956; 48: 333–335. [Google Scholar] 32. Кай А. Тонкая структура валониамикрофибриллярной гель-проникающей хроматографии на валоновой целлюлозе.Сен-и Гаккаиси. 1976; 32: T326 – T334. [Google Scholar] 33. Паакко М., Анкерфорс М., Косонен Х., Никанен А., Ахола С. и др. Ферментативный гидролиз в сочетании с механическим сдвигом и гомогенизацией под высоким давлением для наноразмерных фибрилл целлюлозы и прочных гелей. Биомакромолекулы. 2007; 8: 1934–1941. [PubMed] [Google Scholar] 34. Джордж Дж., Рамана К.В., Бава А.С., Сиддарамайах Нанокристаллы бактериальной целлюлозы, демонстрирующие высокую термическую стабильность, и их полимерные нанокомпозиты. Inter J Biol Macromol. 2011; 48: 50–57.[PubMed] [Google Scholar] 35. Хакансон Х., Альгрен П. Кислотный гидролиз некоторых промышленных целлюлоз: влияние условий гидролиза и сырья. Целлюлоза. 2005; 12: 177–183. [Google Scholar] 36. Элацзузи-Хафрауи С., Нишияма Ю., Путо Дж. Л., Хе Л, Дюбрей Ф., Рош С. Форма и распределение по размерам кристаллических наночастиц, полученных кислотным гидролизом природной целлюлозы. Биомакромол. 2008; 9: 57–65. [PubMed] [Google Scholar] 37. Бек-Канданедо С, Роман М, Грей Д. Влияние условий реакции на свойства и поведение суспензий нанокристаллов древесной целлюлозы.Биомакромолекулы. 2005; 6: 1048–1054. [PubMed] [Google Scholar] 38. Араки Дж., Вада М., Куга С. Стерическая стабилизация суспензии микрокристаллов целлюлозы путем прививки полиэтиленгликоля. Ленгмюра. 2001; 17: 21–27. [Google Scholar] 39. де Менезес AJ, Siqueira G, Curvelo AA, Dufresne A. Экструзия и характеристика функционализированных нитевидных кристаллов целлюлозы, армированных полиэтиленовыми нанокомпозитами. Полимер. 2009. 50: 4552–4563. [Google Scholar] 40. Де Родригес Н.Л., Тилеманс В., Дюфресн А. Сизаль-целлюлозные вискеры, армированные нанокомпозитами из поливинилацетата.Целлюлоза. 2006; 13: 261–270. [Google Scholar] 41. Revol J-F. О форме поперечного сечения кристаллитов целлюлозы в Valoniaventricosa . Carbohydr Polym. 1982; 2: 123–134. [Google Scholar] 42. Кимура Ф., Кимура Т., Тамура М., Хираи А., Икуно М., Хорий Ф. Магнитное выравнивание хиральной нематической фазы суспензии целлюлозных микрофибрилл. Ленгмюра. 2005; 21: 2034–2037. [PubMed] [Google Scholar] 43. Джордж Дж., Бава А.С., Сиддарамиах Синтез и характеристика нанокристаллов бактериальной целлюлозы и их нанокомпозитов ПВС.Adv Mater Res. 2010. 123: 383–386. [Google Scholar] 44. Джордж Дж., Сиддарамайя. Высококачественные съедобные нанокомпозитные пленки, содержащие нанокристаллы бактериальной целлюлозы. Carbohydr Polym. 2012; 87: 2031–2037. [Google Scholar] 45. Пэн Б.Л., Дхар Н., Лю Х.Л., Там К.С. Химия и применение нанокристаллической целлюлозы и ее производных: перспектива нанотехнологии. Может J Chem Eng. 2011; 9999: 1–16. [Google Scholar] 46. Мун Р.Дж., Мартини А., Нэрн Дж., Симонсен Дж., Янгблад Дж. Обзор целлюлозных наноматериалов: структура, свойства и нанокомпозиты.Chem Soc Rev.2011; 40: 3941–3994. [PubMed] [Google Scholar] 47. Ивамото С., Кай В., Исогай А., Ивата Т. Модуль упругости отдельных целлюлозных микрофибрилл из оболочки, измеренный с помощью атомно-силовой микроскопии. Биомакромол. 2009. 10: 2571–2576. [PubMed] [Google Scholar] 48. Лахиджи Р.Р., Сюй Х, Райфенбергер Р., Раман А., Руди А., Мун Р.Дж. Исследование нанокристаллов целлюлозы с помощью атомно-силовой микроскопии. Ленгмюра. 2010; 26: 4480–4488. [PubMed] [Google Scholar] 49. Стурцова А., Дэвис Г.Р., Эйххорн С.Дж. Модуль упругости и свойства передачи напряжений нитевидных волокон целлюлозной оболочки.Биомакромол. 2005; 6: 1055–1061. [PubMed] [Google Scholar] 50. Revol JF, Bradford H, Giasson J, Marchessault RH, Gray DG. Геликоидальное самоупорядочение микрофибрилл целлюлозы в водной суспензии. Int J Biol Macromol. 1992. 14: 170–172. [PubMed] [Google Scholar] 51. Ортс WJ, Godbout L, Marchessault RH, Revol JF. Повышенное упорядочение жидкокристаллических суспензий микрофибрилл целлюлозы: исследование малоуглового рассеяния нейтронов. Макромол. 1998. 31: 5717–5725. [Google Scholar] 52. Азизи Самир МАС, Аллоин Ф, Санчес Дж.Й., Эль Кисси Н., Дюфресн А.Получение нанокомпозитов, армированных нитевидными кристаллами целлюлозы, из суспензии органической среды. Макромол. 2004. 37: 1386–1393. [Google Scholar] 53. Араки Дж., Вада М., Куга С., Окано Т. Влияние поверхностного заряда на поведение вязкости суспензии микрокристаллов целлюлозы. J Wood Sci. 1999; 45: 258–261. [Google Scholar] 54. Eyley S, Thielemans W. Модификация поверхности нанокристаллов целлюлозы. Наноразмер. 2014; 6: 7764–7779. [PubMed] [Google Scholar] 55. Заман М., Сяо Х., Чибанте Ф., Ни Ю. Синтез и характеристика катионно-модифицированной нанокристаллической целлюлозы.Carbohydr Polym. 2012; 89: 163–170. [PubMed] [Google Scholar] 56. Хасани М., Крэнстон Э.Д., Вестман Г., Грей Д.Г. Катионная функционализация поверхности нанокристаллов целлюлозы. Мягкая материя. 2008; 4: 2238–2244. [Google Scholar] 57. Montanari S, Roumani M, Heux L, Vignon MR. Топохимия нанокристаллов карбоксилированной целлюлозы в результате окисления, опосредованного ТЕМПО. Макромол. 2005; 38: 1665–1671. [Google Scholar] 58. Azzam F, Heux L, Putaux JL, Jean B. Получение путем прививки, характеристики и свойства термочувствительных нанокристаллов целлюлозы, декорированных полимером.Биомакромол. 2010; 11: 3652–3659. [PubMed] [Google Scholar] 59. Сикейра Дж., Брас Дж., Дюфрен А. Усы целлюлозы против микрофибрилл: влияние природы наночастиц и функционализации их поверхности на термические и механические свойства нанокомпозитов. Биомакромол. 2008. 10: 425–432. [PubMed] [Google Scholar] 60. Романи М., Шупинг Д., Хирани А., Йонг В.Л. Серия симпозиумов САУ. Vol. 1017. Oxford University Press; 2009. Нанокристаллы целлюлозы для доставки лекарств; С. 81–91. [Google Scholar] 61.Лам Э, Мале КБ, Чонг Дж. Х., Люнг А. С., Луонг Дж. Х. Применение функционализированной и модифицированной наночастицами нанокристаллической целлюлозы. Trends Biotechnol. 2012; 30: 283–290. [PubMed] [Google Scholar] 62. Тахери А., Мохаммади М. Использование нанокристаллов целлюлозы для потенциального применения в местной доставке гидрохинона. Chem Biol Drug Des. 2015; 86: 102–106. [PubMed] [Google Scholar] 63. Джексон Дж. К., Летчфорд К., Вассерман Б. З., Йе Л., Хамад В. Ю., Берт Х. М.. Использование нанокристаллической целлюлозы для связывания и контролируемого высвобождения лекарств.Int J Nanomedicine. 2011; 6: 321. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 64. Ахлаги С.П., Берри Р.Ц., Там К.С. Модификация поверхности нанокристалла целлюлозы олигосахаридом хитозана для приложений доставки лекарств. Целлюлоза. 2013; 20: 1747–1764. [Google Scholar] 65. Гарсия-Гонсалес К.А., Алнаиф М., Смирнова И. Аэрогели на основе полисахаридов — перспективные биоразлагаемые носители для систем доставки лекарств. Carbohydr Polym. 2011; 86: 1425–1438. [Google Scholar] 66. Вало Х., Арола С., Лааксонен П., Торккели М., Пелтонен Л. и др.Высвобождение лекарства из наночастиц, встроенных в четыре различных аэрогеля нанофибриллярной целлюлозы. Eur J Pharm Sci. 2013; 50: 69–77. [PubMed] [Google Scholar] 67. Ноги М., Ивамото С., Накагайто А.Н., Яно Х. Оптически прозрачная нановолоконная бумага. Adv Mater. 2009; 21: 1595–1598. [Google Scholar] 68. Belbekhouche S, Bras J, Siqueira G, Chappey C, Lebrun L и др. Водосорбционные свойства и газобарьерные свойства нитевидных кристаллов целлюлозы и пленок микрофибрилл. Carbohydr Polym. 2011; 83: 1740–1748. [Google Scholar] 69.Нильсен LJ, Eyley S, Thielemans W, Aylott JW. Двойная флуоресцентная маркировка нанокристаллов целлюлозы для определения pH. Chem Comm. 2010; 46: 8929–8931. [PubMed] [Google Scholar] 70. Калашникова И., Бизот Х, Катала Б., Капрон И. Модуляция амфифильных свойств нанокристаллов целлюлозы для стабилизации границы раздела нефть / вода. Биомакромол. 2011; 13: 267–275. [PubMed] [Google Scholar] 71. Мэтью А.П., Дюфрен А. Морфологическое исследование нанокомпозитов из крахмала, пластифицированного сорбитом, и усов туницина. Биомакромол.2002; 3: 609–617. [PubMed] [Google Scholar] 72. deMesquita JP, Donnici CL, Pereira FV. Нанокомпозиты на биологической основе из послойной сборки нановискеров целлюлозы с хитозаном. Биомакромол. 2010; 11: 473–480. [PubMed] [Google Scholar] 73. Бендаху А., Хабиби Ю., Каддами Х., Дюфресн А. Физико-химическая характеристика пальмы из Phoenix dactylifera – L, получение нитевидных кристаллов целлюлозы и нанокомпозитов на основе натурального каучука. J Biobased Mater Bio. 2009; 3: 81–90. [Google Scholar] 74. Grunert M, Winter WT.Нанокомпозиты из бутирата ацетата целлюлозы, армированные нанокристаллами целлюлозы. J Polym Environ. 2002; 10: 27–30. [Google Scholar] 75. Чой Ю., Симонсен Дж. Нанокомпозиты на основе карбоксиметилцеллюлозы с нанокристаллами целлюлозы. J Nanosci Nanotechnol. 2006; 6: 633–639. [PubMed] [Google Scholar] 76. Джордж Дж., Кумар Р., Садживкумар В.А., Рамана К.В., Раджаманикам Р. и др. Гибридные нанокомпозиты ГПМЦ, содержащие нанокристаллы бактериальной целлюлозы и наночастицы серебра. Carbohydrpolym. 2014; 105: 285–292. [PubMed] [Google Scholar] 77.Ван И, Цао Х, Чжан Л. Влияние усов целлюлозы на свойства термопластов соевого белка. Macromol Biosci. 2006; 6: 524–531. [PubMed] [Google Scholar] 78. Джордж Дж., Садживкумар В.А., Рамана К.В., Сабапати С.Н., Сиддарамайах Расширенные свойства гибридных нанокомпозитов ПВС, содержащих нанокристаллы целлюлозы и наночастицы серебра. J Mater Chem. 2012; 22: 22433–22439. [Google Scholar] 79. Chazeau L, Cavaille JY, Canova G, Dendievel R, Boutherin B. Вязкоупругие свойства пластифицированного ПВХ, армированного нитевидными кристаллами целлюлозы.J Appl Polym Sci. 1999; 71: 1797–1808. [Google Scholar] 80. Гоффин А.Л., Ракес Дж. М., Дюкесн Э., Сикейра Дж., Хабиби Ю. и др. Нанокомпозиты на основе поли (ε-капролактона), армированные нановискерами целлюлозы с привитой поверхностью путем экструзионной обработки: морфология, реология и термомеханические свойства. Полимер. 2011; 52: 1532–1538. [Google Scholar] 81. Ljungberg N, Bonini C, Bortolussi F, Boisson C, Heux L, Cavaille JY. Новые нанокомпозитные материалы, армированные нитевидными кристаллами целлюлозы в атактическом полипропилене: влияние поверхности и дисперсионные характеристики.Биомакромол. 2005; 6: 2732–2739. [PubMed] [Google Scholar] 82. Цао Х, Донг Х, Ли СМ. Новые нанокомпозитные материалы, армированные нанокристаллами льняной целлюлозы в полиуретане на водной основе. Биомакромол. 2007; 8: 899–904. [PubMed] [Google Scholar] 83. Хуббе М.А., Рохас О.Дж., Люсия Л.А., Саин М. Целлюлозные нанокомпозиты: обзор. Биоресурсы. 2008; 3: 929–980. [Google Scholar] 84. Хабиби Ю., Гоффин А.Л., Шильтц Н., Дукесн Э., Дюбуа П., Дюфрен А. Бионанокомпозиты на основе нанокристаллов целлюлозы, привитых поли (ε-капролактоном), путем полимеризации с раскрытием кольца.J Mater Chem. 2008. 18: 5002–5010. [Google Scholar] 85. Азизи Самир МАШ, Аллоин Ф., Дюфрен А. Обзор недавних исследований нитевидных кристаллов целлюлозы, их свойств и их применения в области нанокомпозитов. Биомакромол. 2005; 6: 612–626. [PubMed] [Google Scholar] 86. Сваган А.Дж., Самир МАСА, Берглунд Л.А. Биомиметические пены с высокими механическими характеристиками на основе наноструктурированных стенок клеток, армированных нанофибриллами нативной целлюлозы. Adv Mater. 2008. 20: 1263–1269. [Google Scholar] 87. Хенрикссон М., Берглунд Л.А., Исакссон П., Линдстрем Т., Нишино Т.Структуры нанобумаги целлюлозы высокой прочности. Биомакромол. 2008; 9: 1579–1585. [PubMed] [Google Scholar] 88. Ноги М., Яно Х. Прозрачные нанокомпозиты на основе целлюлозы, производимой бактериями, предлагают потенциальные инновации в индустрии электронных устройств. Adv Mater. 2008; 20: 1849–1852. [Google Scholar] 89. Bayer IS, Fragouli D, Attanasio A, Sorce B, Bertoni G и др. Водоотталкивающие сети из целлюлозного волокна с многофункциональными свойствами. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2011; 3: 4024–4031. [PubMed] [Google Scholar] 90.Донг С., Роман М. Флуоресцентно меченые нанокристаллы целлюлозы для приложений биоимиджинга. J Am Chem Soc. 2007. 129: 13810–13811. [PubMed] [Google Scholar] 91. Махмуд К.А., Мена Дж. А., Мале КБ, Храпович С., Камен А., Луонг Дж. Х. Влияние поверхностного заряда на клеточное поглощение и цитотоксичность флуоресцентно меченных нанокристаллов целлюлозы. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2010; 2: 2924–2932. [PubMed] [Google Scholar] 92. Хогер И., Рохас О.Дж., Ефименко К., Велев О.Д., Келли С.С. Ультратонкие пленочные покрытия выровненных нанокристаллов целлюлозы из системы сборки с конвективным сдвигом и их поверхностные механические свойства.Мягкая материя. 2011; 7: 1957–1967. [Google Scholar] 93. Ян Х., Техадо А., Алам Н., Антал М., ван де Вен Т.Г. Пленки изготовлены из электростеризованной нанокристаллической целлюлозы. Ленгмюра. 2012; 28: 7834–7842. [PubMed] [Google Scholar] 94. Ван В.К., Хаттер Дж. Л., Миллон Л., Гухадос Г. Серия симпозиумов по ACS. Vol. 938. Oxford University Press; 2006. Бактериальная целлюлоза и ее нанокомпозиты для биомедицинских приложений; С. 221–241. [Google Scholar] 95. Lange J, Wyser Y. Последние инновации в барьерных технологиях для пластиковой упаковки — обзор.PackagTechnol Sci. 2003. 16: 149–158. [Google Scholar] 96. Параликар С.А., Симонсен Дж., Ломбарди Дж. Поли (виниловый спирт) / целлюлозные нанокристаллические барьерные мембраны. J Membrane Sci. 2008. 320: 248–258. [Google Scholar]

Обзор последних разработок в области получения, свойств и применения функциональных материалов на основе целлюлозы

Целлюлоза — это самый богатый ресурс биомассы в мире. Его можно преобразовать в различные водорастворимые производные, биохимические вещества и материалы. Во второй половине 20 века была извлечена наноцеллюлоза с уникальными свойствами, такими как оптическая прозрачность, высокая прочность и большая площадь поверхности.Эти новые формы целлюлозы можно комбинировать с другими материалами, в основном биополимерами, с образованием разнообразных композитов, которые используются во всех сферах жизни человека. Для удобства, чтобы представить последние разработки этих функциональных композитов на основе целлюлозы, мы разделили их на семь категорий, включая биологические применения, очистку воды, сенсор, усиливающий агент, материалы для аккумулирования энергии, стабилизатор эмульсии Пикеринга и другие универсальные применения. Было показано приготовление, свойства и применение этих функциональных композитов.

1. Введение

Истощение запасов нефти и сопутствующие экологические проблемы, такие как глобальное потепление, стимулировали значительный интерес к разработке экологически устойчивых биомасс, которые состоят из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. С этой точки зрения целлюлоза имеет некоторые преимущества, такие как возобновляемость, биоразлагаемость и экологичность. Целлюлоза, годовое производство которой оценивается более 7,5 × 10 ¹⁰ тонн [1], является самым богатым ресурсом биомассы в мире.Целлюлоза — это удивительный и почти неисчерпаемый экологичный природный полимер, который на протяжении тысячелетий использовался в форме волокна или его производных для широкого спектра применений в материалах и продуктах. Целлюлоза была впервые представлена ​​в 1838 году и приобрела огромное значение по сравнению с другими синтетическими полимерами. С тех пор целлюлоза была переведена в различные производные, большинство из которых растворимы в воде. В результате его применение распространилось на все аспекты жизни общества.Типичными производными являются карбоксиметилцеллюлоза (CMC), ацетат целлюлозы (CA), метилцеллюлоза (MC), гидроксиэтилцеллюлоза (HEC), (гидроксипропил) метилцеллюлоза (HPMC) и так далее. Целлюлоза представляет собой полисахарид с линейной цепью, содержащий 1 000–15 000 β единиц глюкозы. Множество существующих водородных связей делают целлюлозу полужестким полимером. Эта сверхмакромолекулярная структура наделяет целлюлозу сверхвысокой прочностью 150 МПа [2, 3].

Уникальная иерархическая архитектура натуральной целлюлозы, состоящая из наноразмерных фибрилл и кристаллитов, позволяет извлекать нанокомпоненты механическими и химическими методами или сочетанием обоих этих методов.Наряду с развитием нанонауки и технологий извлекаются новые формы наноцеллюлозы, например, нанофибриллы целлюлозы (NFC) и нанокристаллы целлюлозы (CNC). Изолированный NFC представляет собой длинное, тонкое и гибкое образование, состоящее из чередующихся кристаллических и аморфных доменов, тогда как полученные CNC представляют собой кристаллические частицы в форме стержня, высвобождающиеся после разделения аморфных доменов. Наноцеллюлоза в последнее время привлекла к себе большое внимание в мире материалов [1, 4]. Он был предметом широкого спектра исследовательских усилий, направленных на различные приложения, из-за его доступности, возобновляемости, легкости, наноразмерности, уникальной морфологии и непревзойденных основных физических и химических свойств [5, 6].

Бактериальная целлюлоза (BC) — внеклеточный полимер, продуцируемый многими микроорганизмами. Его можно использовать в биомедицине и биоэлектронике. В сочетании с другими материалами, такими как альгинат, хитозан, крахмал, фиброин шелка, серицин и ксиланы, с образованием биокомпозитов, механические и биологические свойства функциональных материалов на основе целлюлозы будут улучшены. Области применения целлюлозных материалов могут выходить далеко за рамки традиционных областей применения. Очевидно, что функциональные материалы на основе целлюлозы исключительно важны для человечества.

В этой статье, рассматривая широкое применение функциональных материалов на основе целлюлозы, были рассмотрены последние разработки и возможности применения функциональных материалов на основе целлюлозы в различных областях.

2. Биологические применения

Функциональные материалы на основе целлюлозы имеют широкий потенциал применения в биомедицинских областях. Например, Chang et al. [18] подготовили композиты БЦ / желатин с повышенной механической прочностью для применения в нанобиоматериалах путем погружения БУ, обработанного щелочью, в желатин рыб.Повышение концентрации желатина усиливает образование структур с двойной сеткой, улучшая механическую прочность и гидрофильные свойства композитов. Хитозан (CS) производится путем частичного деацетилирования хитина, который является вторым по распространенности биополимером в природе. Ахлаги и др. [19] разработали систему доставки лекарств путем модификации поверхности окисленных CNC олигосахаридом CS. Функциональные композиты CNC-CS показали эффективность связывания 21,5% и загрузку лекарственного средства 14% (мас. / Мас.).Высвобождение in vitro лекарственного средства показало, что композиты показали быстрое высвобождение до 1 часа при pH 8, что можно было использовать в качестве биосовместимых и биоразлагаемых носителей лекарств для трансдермальной доставки. Были синтезированы функциональные нанокомпозиты ЧПУ-фибрин, состоящие из гомогенно диспергированных окисленных ЧПУ в фибриновой матрице, при этом фибрин обеспечивает эластичность, а окисленные ЧПУ — прочность [20]. Манипулирование степенью окисления ЧПУ и соотношением ЧПУ к фибрину привело к изменению прочности и удлинения нанокомпозитов.Молекулярное взаимодействие между полностью окисленными CNC и фибрином, индуцированное карбонильной группой, является ключом к эффективному усилению. Многослойные тонкие пленки ЧПУ были приготовлены в матрице катионных ксиланов для обнаружения активности ксиланазы с помощью метода «электростатической послойной самосборки с помощью вращения», при котором ЧПУ и катионные ксиланы поочередно осаждаются до 10 раз на вращающейся кремниевой пластине [21].

Функциональные материалы на основе целлюлозы могут использоваться в терапии рака благодаря их хорошей биосовместимости.Гребенчатый сополимер этилцеллюлоза-g-поли (е-капролактон) (EC-g-PCL) был получен полимеризацией е-капролактона с раскрытием живого цикла с этилцеллюлозой в качестве макроинициатора и октоатом двухвалентного олова в качестве катализатора [22]. Дальнейшую модификацию EC-g-PCL проводили с помощью родамина B (RhB) и фолиевой кислоты (FA) для получения флуоресцентной и целевой функциональной EC-g-PCL-RhB / FA для достижения одновременной идентификации и отслеживания раковых клеток. Такой многофункциональный гребенчатый сополимер имел потенциальные применения в области направленного высвобождения лекарств.Многофункциональные флюоресцеинизотиоцианат (FI-) с концевыми аминогруппами и дендримеры поли (амидоамина) поколения 5 (PAMAM), модифицированные FA (G5.NH ₂ –FI – FA), были модифицированы на электропряденых нановолокнах CA [7]. Оставшиеся концевые амины дендримеров затем ацетилировали, чтобы избежать неспецифического связывания волокнистого мата с отрицательно заряженными клеточными мембранами (рис. 1). Модификация дендримеров G5, нацеленных на FA, предоставила нановолокнам CA превосходную специфичность для захвата раковых клеток, сверхэкспрессирующих рецепторы FA, посредством взаимодействий лиганд-рецептор.Этот подход модификации благоприятствовал захвату различных типов раковых клеток и обнаружению раковых клеток в лимфатической системе или кровотоке. Помимо EC и CA, ЧПУ также использовалось в качестве основного материала, окруженного полимерами, для сборки системы высвобождения лекарственного средства. Совсем недавно Golshan et al. [23] сначала прививали поли (пропиленимин) на ЧПУ, а затем конъюгировали его с FA вне композитной частицы. Они обнаружили, что системы, конъюгированные с FA, имеют более высокую лекарственную нагрузку и более устойчивую функциональность по высвобождению лекарства.Эти синтезированные наночастицы CNC с привитыми дендримером могут быть использованы для специфического нацеливания на раковые клетки.

Wang et al. [24] сконструировали гибридные гидрогели целлюлоза / фосфор с использованием эпихлоргидрина в качестве сшивающего агента с частицами люминофора, плотно встроенными в макропористую целлюлозную матрицу, что привело к трехкратной прочности на сжатие по сравнению с целлюлозным гидрогелем. Гидрогели излучали относительно сильную зеленую флуоресценцию под УФ-лампой, а также высокую яркость и длительное послесвечение.Гибридные гидрогели с сильным послесвечением могут быть обнаружены как под кожей, так и в желудке с возбуждающим светом и без него, что показывает многообещающие перспективы в качестве кандидата для биоимиджинга.

Полианилин (PANI), полимер с отличной проводимостью, может быть объединен с целлюлозой для образования нанокомпозитов с высокой проводимостью. Fu et al. [25] синтезировали и иммобилизовали наностержни PANI на NFC, модифицированных CMC, для биодатчиков. Свежеприготовленный электрод из лакказы (Lac) / PANI / CMC / целлюлозы / стеклоуглерода показал отличные характеристики отклика с пределом обнаружения 0.374 мк M и диапазон линейного отклика от 0,497 мк M до 2,27 мМ, что сравнимо и даже превосходит многие лакказные биосенсоры на основе других матриц при обнаружении катехола. PANI / CMC / NFC будет многообещающим субстратом для создания ферментных биосенсоров. Гидрогель целлюлозы был использован в качестве темплата для синтеза ПАНИ in situ с помощью метода ограниченной межфазной полимеризации [26], что привело к одной проводящей стороне в полимере. Гидрофобные наночастицы PANI были иммобилизованы в гидрофильной целлюлозе через физическую кислоту как «мостик» в присутствии воды за счет взаимодействия водородных связей.Композитные гидрогели PANI / целлюлоза продемонстрировали предел прочности на разрыв 2,71 МПа и биосовместимость, а также отличную направляющую способность для регенерации седалищного нерва у взрослых крыс Sprague-Dawley без какой-либо дополнительной обработки.

Биосовместимые композиты с высокой механической прочностью имеют потенциальное применение в регенерации костей. Аминопропилтриэтоксисилан был иммобилизован на поверхности КА-мембраны [27]. Затем серицин иммобилизовали через глутаральдегид и аминопропил-триэтоксисилан на CA-мембране.Было доказано, что достигнутый серицин, загружающий СА-мембрану, имеет большие перспективы в регенерации кости. Пористые композитные каркасы фиброин шелка / CNCs-CS были приготовлены с превосходными механическими свойствами и биологической совместимостью с помощью сборки LbL [28]. Иерархическая пластинчатая структура была сформирована путем сборки ЧПУ и CS на пластине SF. Композиты пористый фиброин шелка / CNCs-CS могут стать многообещающей основой тканевой инженерии для создания и имплантации костей.

ЧПУ с большим количеством гидроксильных функций на поверхности можно модифицировать путем прививки других соединений для расширения области их применения.Поли (винилацетат) (PVA) был привит с помощью CNC (CNC-g-PVA) посредством инициируемой поверхностью обратимой передачи цепи присоединения-фрагментации и макромолекулярного дизайна через обмен полимеризацией ксантатов [29]. Композиты CNC-g-PVA привели к более высокой прозрачности и улучшенным механическим свойствам по сравнению с немодифицированными нанокомпозитами CNC. Добавление 5 мас.% CNC-g-PVA увеличивало модуль упругости чистого PVA на целых 154%. Лю и др. [30] привил четверную водородную связующую группу 2-уреидо-41H-пиримидон на поверхность ЧПУ.Модифицированные ЧПУ были продемонстрированы как превосходные твердые стабилизаторы для приготовления эмульсий с высоким содержанием внутренней фазы посредством одностадийного эмульгирования. Полимеризация водной фазы, содержащей акриламид и метакрилат желатина, привела к получению эластичных макропористых композитных гидрогелей. Эти макропористые композитные гидрогели обладают хорошей биосовместимостью и многообещающей адгезией и пролиферацией клеток, которые используются в качестве активных биологических каркасов для тканевой инженерии.

Kresse et al. [8] представили бумажный метод гидратации липидов в водных растворах для получения гигантских липосом (рис. 2).Микролитры липидов были нанесены на небольшие кусочки сухой хроматографической бумаги, и летучий растворитель быстро испаряется, оставляя после себя высушенную липидную пленку, покрывающую волокна целлюлозы. Бумагу с липидным покрытием помещают в водный «буфер для роста», и после инкубации образуются многочисленные гигантские липосомы. Гигантские липосомы были извлечены из бумаги и диспергированы в объеме раствора. Они ожидали, что бумага станет платформой для самосборки макромолекул.

Пленка CMC была модифицирована методами фото- и химического сшивания, которые могут быть использованы в секторе упаковки пищевых продуктов [31].Было обнаружено, что результаты поверхностной гидрофобности, водонепроницаемости и механических свойств являются функцией обеих обработок, среди которых обработка фото-сшивкой была более эффективной, чем процесс химического сшивания. Cheng et al. [32] приготовили 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил- (TEMPO-) опосредованные окисленные композитные пленки CNC / альгинат и губки и одновременно провели традиционное сшивание Ca ²⁺ . Тесты разложения in vivo показали, что все материалы могут полностью биоразлагаться без воспалительной реакции через три недели.Полученные композитные губки без цитотоксичности имели более высокую пористость и прочность на разрыв, что обеспечивало большое количество экссудата из раны и улучшало адсорбционную способность тромбоцитов и эритроцитов для достижения быстрого гемостатического эффекта. Эти композиты имеют потенциальное применение в области заживления ран.

Микрофибриллированная целлюлоза (MFC) и NFC — это длинные волокнистые формы целлюлозы с микро- и наношириной, соответственно, которые являются эффективными армирующими наполнителями.Сверхлегкие аэрогелевые микросферы NFC были приготовлены для нанесения на каркас клеточных культур методом распылительной сублимационной сушки [33]. Полученные материалы были очень легкими (0,0018 г / см ^-3 ) с высокой пористостью и отличной водопоглощающей способностью (~ 100 г / г ^-1 ). Системы доставки лекарств были синтезированы на основе нанокомпозитов NFC-диоксида титана, привитых с тремя различными типами модельных лекарств, такими как диклофенак натрия, пеницилламин-D и фосфомицин [34]. Полученные нанокомпозиты потенциально могут применяться для трансдермальной доставки лекарств для анестетиков, анальгетиков и антибиотиков.Суспензию МФЦ готовили из моркови методом механической дефибрилляции и съедобных пленок из крахмала, армированного МФЦ [35]. Пленки из крахмального композиционного материала имели более низкую проницаемость для водяного пара и более высокую прочность на разрыв, чем пленки из чистого крахмала. Большое количество проходов через механический дефибриллятор привело к меньшей агрегации MFC, что позволило получить хорошее взаимодействие между MFC и крахмальной матрицей.

Недавно Вецбискена и Розенберга [36] получили NFC путем окисления персульфатом аммония беленой березовой крафт-целлюлозы и немодифицированных пленок BC и получили пленки хитозановой матрицы в упаковочной промышленности или биомедицине.Хитозановая матрица, настроенная нановолокнами БЦ, привела к повышению механических и биологических свойств биокомпозитных пленок. MFC смешивали с пероксидом кальция с каталазой или без нее, чтобы сформировать многослойные нанокомпозиты MFC, которые позволяют модулировать высвобождение пероксида водорода (H ₂ O ₂ ) или кислорода (O ₂ ) соответственно [37]. Был получен профиль высвобождения H ₂ O ₂ из нанокомпозитов MFC / пероксид кальция до пяти дней, и наблюдалось подавление пролиферации клеток.Производство кислорода играет важную роль в поддержании пролиферации клеток. Нанокомпозиты MFC / пероксид кальция могут использоваться для стерилизации ран и ускорения заживления ран. Нанокомпозиты целлюлоза / SrF ₂ были синтезированы для потенциальных применений в медицине, водоподготовке и производстве упаковки для пищевых продуктов с помощью микроволнового метода при 100 ° C в течение 20 мин [38]. Было обнаружено, что содержание целлюлозы оказывает определенное влияние на морфологию, кристаллическую решетку, кристалличность и термостабильность фторидов щелочноземельных металлов.Совсем недавно сообщалось о гидрофобной функционализации трех типов водорастворимой целлюлозы — метилцеллюлозы, ГЭЦ и ГПМЦ противораковым средством для агрохимических применений [39].

Для четкого и тщательного сравнения основных аспектов этих упомянутых продуктов для биологических применений форма целлюлозы, другие материалы, метод приготовления, механизм соединения и преимущества продукта функциональных материалов на основе целлюлозы были сведены в Таблицу 1.

3.Приложения для очистки и разделения воды

Функциональные материалы на основе целлюлозы обычно применяются в области разделения, особенно при очистке воды. Известно, что биополимеры, такие как нановолокна на основе хитозана, лигноцеллюлоза, хитозан, хитин, целлюлоза и лигнин, адсорбируют ионы тяжелых металлов из водных растворов [40–42]. Функциональные материалы на основе целлюлозы обладают хорошей адсорбционной способностью для применения в областях очистки воды.

Очистка сточных вод .Полимерный сорбент из смеси целлюлозы и метилтриоктиламмония хлорида был приготовлен для адсорбции канцерогенного хрома (VI) методом ультразвуковой обработки [40]. Адсорбционная емкость хрома (VI), рассчитанная по модели изотермы Ленгмюра, составила 38,94 мг / г ^-1 с соблюдением кинетики второго порядка. Адсорбент регенерировали с использованием аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя, где токсичный хром превращается в менее токсичный Cr (III). Martins et al. [43] описали анаэробную деградацию RNL Remazol Golden Yellow с использованием рибофлавина, иммобилизованного на целлюлозе, в качестве окислительно-восстановительного медиатора.Рибофлавин был ковалентно связан с целлюлозой, и полученный в результате материал был химически стабильным при pH от 2 до 9. Использование материала увеличивало константу скорости разложения Remazol Golden Yellow RNL на 56% и позволяло снизить затраты на очистку сточных вод.

Гидрогели целлюлозы были изготовлены с использованием отходов соломы пшеницы в качестве источника в водном растворе NaOH / PEG [41]. Затем хорошо диспергированные суперпарамагнитные наночастицы γ -Fe ₂ O ₃ были инкапсулированы в трехмерную архитектуру аэрогелей целлюлозы.Свежеприготовленные композиты γ -Fe ₂ O ₃ @CA показали превосходную магнитную чувствительность, которая легко приводилась в действие приложенным магнитным полем. Гибриды также показали высокую скорость адсорбции 0,7364 г · мг ^-1 · мин ^-1 и отличную адсорбционную способность 10,2 мг · г ^-1 для удаления ионов тяжелых металлов Cr (VI). Экологически чистые гидрогели гидроксипропилцеллюлозы (HPC) были изготовлены из оксида графена (GO) [44]. Полученные гидрогели HPC-GO / HPC показали отличную адсорбционную способность по отношению к метиленовому синему.Композит целлюлоза / графен был приготовлен путем смешивания растворенной целлюлозы с ОГ, восстанавливающейся гидразингидратом [45]. Композиты достигли более высоких уровней адсорбции, чем другие пять сорбентов, такие как графитовый уголь, первичный вторичный амин, графитовая сажа, целлюлоза и графен для шести триазиновых пестицидов. Процесс адсорбции соответствует модели Ленгмюра через изотерму равновесной адсорбции. Эффективность адсорбции композита целлюлоза / графен все еще составляла более 85% после шести циклов рециркуляции с использованием простого органического растворителя.

Wang et al. [42] сообщили об аминировании мембран из нановолокон BC методом промывки и последующего сшивания, который показал отличные адсорбционные характеристики для ионов Cu ²⁺ и Pb ²⁺ из водных растворов. Этот цикл адсорбции и десорбции повторяли несколько раз с хорошими остаточными характеристиками адсорбции (более 90%). Адсорбированные ионы Cu ²⁺ могут быть восстановлены до наночастиц меди и показали отличные каталитические характеристики для восстановления метиленового синего в водном растворе.Каталитические свойства могут сохраняться после нескольких раз использования.

Карбоксилированное производное целлюлозы (CTA) было получено путем этерификации целлюлозы с ангидридом 1,2,4-бензолтрикарбоновой кислоты [46] в качестве адсорбирующего материала для удаления Co ²⁺ , Cu ²⁺ и Ni ^{. 2+} из однокомпонентного водного раствора с добавками. Модель Ленгмюра лучше соответствовала экспериментальным данным по адсорбции, и максимальная адсорбционная способность, оцененная с помощью этой модели, составила 0,749,1.487 и 1.001 ммоль г ⁻¹ для Co ²⁺ , Cu ²⁺ и Ni ²⁺ соответственно. Эффективность десорбции и реадсорбции была ближе к 100%, что позволяло извлекать как ионы металлов, так и адсорбент CTA. Конкурентная адсорбция трех бинарных систем Cu ²⁺ -Co ²⁺ , Cu ²⁺ -Ni ²⁺ и Co ²⁺ -Ni ²⁺ на КТА была оценена в бинарном эквимолярном Водные растворы ионов металлов (1: 1) [47]. Адсорбент CTA показал улучшенную селективность и хорошие характеристики при удалении Co ²⁺ , Cu ²⁺ и Ni ²⁺ .

Целлюлозу и жом сахарного тростника окисляли смесью H ₃ PO ₄ -NaNO ₂ для получения адсорбирующих материалов с высоким содержанием карбоксильных групп [48]. Изотермы адсорбции были хорошо подогнаны моделями Ленгмюра и Конды с максимальной адсорбционной емкостью 1117,8 мг г ^-1 и 1223,3 мг г ^-1 по целлюлозе и 1018,2 мг г ^-1 и 682,8 мг г ^-1 на жоме сахарного тростника. Эффективность десорбции находилась в диапазоне 50–52%, а способность повторной адсорбции варьировалась от 65 до 81%, что свидетельствует о возможности повторного использования обоих материалов адсорбента.

Štefelová et al. [9] исследовали процесс медленного пиролиза NFC из древесины, водорослей Cladophora и бактерий с помощью различных способов сушки (рис. 3). NFC водорослей с их крупными кристаллитами приводит к получению субстратов с площадью поверхности 64 м ² г ^-1 , используя обычную сушку из водной суспензии. В результате NFC из древесины были получены обугленные с хорошей адсорбционной способностью как для анионных, так и для катионных красителей. Пористость подложки NFC можно регулировать с помощью процедуры сублимационной сушки с ледяной структурой, достигая значений 99.7% и соответствующие угли, способные абсорбировать 64–120 г ^–1 различных масел и органических растворителей.

Ag @ Fe ₃ O ₄ @CNCs нанокомпозиты были синтезированы зеленым гидротермальным методом с использованием микроволнового излучения [49]. ЧПУ показали хорошую восстанавливающую активность и сыграли важную роль в синтезе частиц Ag. Более продолжительное время реакции было предпочтительным для синтеза большего количества Ag и более крупных частиц Ag @ Fe ₃ O ₄ . Нанокомпозиты Ag @ Fe ₃ O ₄ @CNC продемонстрировали хорошую адсорбцию раствора красителя, что показало потенциальное применение при очистке воды.

Заявления о разделении . Мембраны из поливинилиденфторида и гексафторпропилена были изготовлены с использованием различных количеств ЧПУ методом электроспиннинга для применения в мембранной дистилляции [50]. Включение ЧПУ в матрицу улучшило предел прочности на разрыв и модуль Юнга и сузило распределение пор по размерам в готовых мембранах. Давление жидкости на входе было улучшено с ~ 19 фунтов на квадратный дюйм до ~ 27 фунтов на квадратный дюйм с добавлением 2 мас.% ЧПУ. Он получил водяной поток 10.2–11,5 л ч ⁻¹ м ⁻² с 99% отторжением солей для этих мембран заводского изготовления мембран с ЧПУ. Многослойные нанокомпозитные мембраны из углеродных нанотрубок (УНТ) / СА были получены методом инверсии фаз с использованием ацетона в качестве растворителя и 20 мас.% Деионизированной воды в качестве нерастворителя [51]. Было обнаружено, что скорость проницаемости улучшилась на 54% при минимальном снижении удерживания соли (-6%) для мембран с самым низким содержанием УНТ. Дальнейшее добавление УНТ вызвало снижение скорости проникновения, связанное с уменьшением пористости и площади поверхности.Набухание поливинилового спирта (ПВС) контролировали путем водного смешивания ПВС с модифицированной формой целлюлозы в качестве мембраны обратного осмоса [52]. Набухаемость ПВС снижена с 340% до 150%. Прочность на разрыв влажного ПВС была улучшена на 1520%, а модуль упругости улучшен на 1400%. Мембрана толщиной 272 мкм и толщиной м обеспечивала значение потока воды 1,2 л · ч ⁻¹ · м ⁻² с задержкой солей 98,8%. Были приготовлены мезопористые кремнийорганические сферы, содержащие селектор на основе трис (3,5-диметилфенилкарбамата) целлюлозы с пористой структурой, уникальными межфазными свойствами и превосходной механической прочностью [53].Это подтвердило, что эти сферы являются хиральными неподвижными фазами с превосходной хиральной дискриминационной способностью и стойкостью к растворителям хлороформа. Iftekhar et al. [54] синтезировали нанокомпозит целлюлозы, интеркалированный слоистым двойным гидроксидом Zn / Al, для адсорбции Y ³⁺ , La ³⁺ и Ce ³⁺ методом соосаждения. Нанокомпозит показал хорошую возможность повторного использования до пяти циклов, а также хорошую адсорбцию и селективность для Y ³⁺ , La ³⁺ и Ce ³⁺ в присутствии других ионов.

4. Применение сенсоров

Функциональные материалы на основе целлюлозы находят новые применения в качестве сенсорных материалов, что соответствует тенденции развития науки и технологий искусственного интеллекта. Матрицы золотых электродов на бумажной основе были собраны из сотен золотых матриц собственной разработки на целлюлозных мембранах с использованием недорогого струйного принтера [55]. Полученные в результате материалы обладали рядом уникальных свойств в качестве платформ для тонкопленочных датчиков, включая хорошую проводимость, отличную гибкость, высокую степень интеграции и низкую стоимость.Твердотельный электрохимический датчик кислорода на бумажной основе был сконструирован с использованием гексафторфосфатного электролита 1-бутил-3-метилимидазолия. Датчик, похожий на лист бумаги, обладал высокой чувствительностью к O ₂ в линейном диапазоне от 0,054 до 0,177 об.%, Наряду с низким пределом обнаружения 0,0075% и коротким временем отклика менее 10 с, что предполагает его перспективные применения в разработке экономичных и экологически чистых бумажных электрохимических газовых сенсоров.

Композиты углеродные нанотрубки (УНТ) на бумаге и УНТ-целлюлоза были изготовлены на основе датчика аммиака [56].Характеристики настоящих датчиков включают гибкость, низкую стоимость и пригодность для одноразового использования. По сравнению с контрольными датчиками, изготовленными на стеклянной подложке, датчик на бумажной основе продемонстрировал превосходную однородность и повторяемость.

Гибридные гидрогели состояли из нановолокон BC (nf-BC) и альгината натрия в качестве системы высвобождения, реагирующей на двойные стимулы [57]. По сравнению с чистыми гидрогелями альгината натрия, гибридные гидрогели nf-BC / альгината натрия обладают более стабильной и точной микроструктурой, чувствительностью к pH и эффективно улучшенными электрочувствительными свойствами.

Интригующая способность ЧПУ самоорганизовываться в хиральную нематическую (холестерическую) жидкокристаллическую фазу со спиральным расположением вызвала значительный интерес, что привело к большим усилиям в исследованиях [58, 59]. Giese et al. [10] сообщили о форме материала, полученного из целлюлозы, с настраиваемыми фотонными свойствами и уникальной мезопористой структурой, полученной в результате супрамолекулярного метода совместного моделирования. Композиты ЧПУ и карбамидоформальдегидной смолы организованы в хиральную нематическую сборку, которая после щелочной обработки дает хиральный нематический мезопористый континуум десульфатированных ЧПУ.Пленки мезопористой фотонной целлюлозы претерпевают быстрые и обратимые изменения цвета при набухании, что можно использовать для измерения давления (рис. 4). Эти активные мезопористые целлюлозные материалы имеют потенциальное применение в биочувствительности, оптике, функциональных мембранах, хиральном разделении и тканевой инженерии.

Был исследован чувствительный баланс между образованием стекла и самосборкой жидких кристаллов, который управлял формированием желаемой спиральной структуры [60]. По сравнению с соответствующими процессами самосборки других стержневидных наночастиц, таких как углеродные нанотрубки и вирусные частицы, ЧПУ демонстрируют явления упорядочения жидких кристаллов.Водорастворимые углеродные точки были синтезированы ионотермической обработкой целлюлозы кислотной ионной жидкостью, функционализированной SO ₃ H, в качестве катализатора в хлориде 1-бутил-3-метилимидазолия ([Bmim] Cl) [61]. Синтезированные углеродные точки имели морфологию, близкую к сферической, со средним диаметром 8,0 нм и определенной степенью чувствительности и селективности для Hg ²⁺ , что указывает на то, что углеродные точки имеют потенциальное применение в качестве «отключающих» флуоресцентных сенсоров для обнаружение Hg ²⁺ в водном растворе.Нанобумага

BC была исследована для изготовления одноразовых платформ для оптического зондирования [11]. Два типа плазмонной нанобумаги, такие как наночастицы серебра-BC (AgNPs-BC) и наночастицы золота-BC (AuNPs-BC), и два типа фотолюминесцентной нанобумаги, такие как наночастицы повышающего преобразования-BC (UCNPs-BC) и квантовые точки- BC (QD-BC) были получены с использованием различных наноматериалов (Рисунок 5). Нанобумага BC показала оптическую прозрачность, пористость, гидрофильность и способность к химической модификации.БК применялся как выгодная платформа малых объемов оптически активных наноматериалов.

Хорошо суспендированные водные коллоиды графена на ЧПУ были приготовлены в резиновых композитах для применения в области химического зондирования путем восстановления оксида графена с помощью ЧПУ [62]. Наногибриды graphene @ CNCs построили упорядоченную трехмерную проводящую структуру для изготовления жидкостных датчиков, способных обнаруживать и распознавать различные утечки растворителей в химической промышленности, а также для мониторинга окружающей среды.

Интеллектуальные материалы на основе целлюлозы с привитыми боковыми полимерными цепями, реагирующими на стимулы, имеют потенциальное применение в различных областях, таких как активная упаковка, биосенсоры, тканевая инженерия, антимикробные поверхности, разделение и обнаружение, интеллектуальная одежда и система высвобождения лекарств. Белковая наноцеллюлозная бумага была разработана для измерения ионов меди на нано- и микромолярном уровне [12]. Цианобактериальный C-фикоцианин был загружен в матрицу TEMPO-окисленной нанофибриллированной целлюлозы (TONFC) для ионов меди (рис. 6).TONFC оказывал стабилизирующее действие на чувствительную молекулу без добавления каких-либо консервантов. Биосенсор мог надежно обнаруживать содержание ионов меди с нижним пределом обнаружения 200 × 10 ^-9 М. Результаты показали, что биосенсор подходит для анализа сложных медицинских образцов, таких как фильтрат сыворотки человека. Haqani et al. привил N -изопропилакриламид-термореактивный полимер и акриловую кислоту-рН-чувствительный полимер на CNC и приготовил две системы высвобождения лекарств с двойной чувствительностью [63].При добавлении блока поли ( N -изопропилакриламида) к привитому поли (акриловой кислоте) ЧПУ фазовый переход наблюдается при 32 ° C. Когда блок поли (акриловой кислоты) является внешним слоем, наблюдается фазовый переход при высоких температурах и чувствительность к pH при pH 7,0–10,0. Эти продукты можно использовать в системах доставки лекарств с контролируемым высвобождением лекарств с помощью температурных и pH-стимулов.

Совсем недавно функциональные сетчатые гидрогели были изготовлены как высокоэффективные, гибкие и пригодные для носки датчика деформации путем соединения между «мягкой» гомогенной полимерной сеткой и «жестким» динамическим ферритовым (Fe ³⁺ ) крестом. -связанные ЧПУ (CNCs-Fe ³⁺ ) сеть [64].Гидрогели продемонстрировали способность к автономному самовосстановлению всего за 5 минут без необходимости каких-либо стимулов или лечебных агентов, что связано с реорганизацией ЧПУ и Fe ³⁺ через ионную координацию.

5. Армирующий агент

Функциональные материалы на основе целлюлозы могут использоваться в качестве армирующих материалов в конструкционных материалах. Целлюлоза — это природный иерархический пористый структурный материал с высокой прочностью. ЧПУ обладают огромным потенциалом в качестве устойчивых армирующих материалов для полимеров, но существует ряд препятствий для коммерциализации, которые необходимо сначала преодолеть.Высокий уровень водопоглощения, низкая термическая стабильность, плохая смешиваемость с неполярными полимерами и необратимая агрегация высушенных ЧПУ являются одними из самых серьезных проблем при производстве нанокомпозитов из ЧПУ и полимеров [65].

ЧПУ из биомассы обладают большим потенциалом в качестве усиливающих агентов для производства нанокомпозитов. Волокна целлюлозы были изолированы из жмыха марокканского сахарного тростника с использованием трех различных стадий применения в качестве армирующего агента в полиэтилене низкой плотности [66].Было обнаружено улучшение механических свойств композитов, включая увеличение модуля Юнга на 72% и увеличение модуля упругости при изгибе на 85% при нагрузке волокна 25 мас.%, В результате хорошей адгезии на границе раздела между целлюлозными волокнами и матрицей. ЧПУ были также извлечены из кукурузного початка для применения в качестве усиливающего агента в нанокомпозитах [67]. Композиты CNC / PVA показали улучшенную прочность на разрыв 140,2% только с 9% (мас.%) CNC. Было обнаружено, что индекс кристалличности имеет большее влияние на свойства при растяжении, чем соотношение размеров.После этого ЧПУ были извлечены из клеточной стенки растений с использованием эффективных методов для применения в качестве усиливающего агента в полимерах [68].

ЧПУ

были модифицированы силановым связующим агентом KH-550 в качестве усиливающего агента, а нанокомпозиты из биополеэфира поли (3-гидроксибутират-со-4-гидроксибутират) (P (3,4) HB) / STCNW были приготовлены методом литья из раствора [ 3]. STCNC повышают гидрофобность и способствуют кристаллизации P (3,4) HB, что значительно улучшает прочность на разрыв и модуль упругости композитов P (3,4) HB.Смешиваемость высушенных станков с ЧПУ была улучшена с помощью неполярного полимера (эпоксидной смолы и полистирола) в качестве легких композитов в транспортной, инфраструктурной и возобновляемой энергетике [65]. ЧПУ были модифицированы прививками ПММА в воде с использованием двух различных свободнорадикальных окислительно-восстановительных инициаторов, включая реагент Фентона (Fe ²⁺ , H ₂ O ₂ ) и нитрат церия-аммония для инженерных приложений [69]. Нанокомпозиты с ЧПУ, модифицированными ПММА, обладали высокими модулями накопления в стеклообразном и каучуковом состоянии в соответствии с повышенной дисперсией ЧПУ.Совсем недавно ЧПУ были модифицированы путем прививки поверхности (2-додецен-1-ил) янтарного ангидрида в диметилформамид [70]. Полученные в результате материалы показали хорошую диспергируемость в органических растворителях с широким диапазоном полярности, значительное увеличение прочности на разрыв и модуля в нанокомпозите.

В бумажном производстве в качестве усиливающего агента могут применяться различные формы целлюлозы, такие как MFC [71], NFC [72, 73], CNC [13] и BC [74, 75]. МФЦ был приготовлен в качестве армирования для производства бумаги с гидроксидом натрия-сульфитом натрия путем механической обработки из рисовой соломы, жмыха и хлопкового стебля соответственно [71].Композиционные листы бумаги были приготовлены из беленой рисовой соломы и пульпы жома путем добавления различных процентных соотношений MFC. MFC улучшил механические и оптические свойства с низким процентным содержанием 5 мас.% По сравнению с 20 мас.% Для мягкой древесной массы. Функционализированный NFC был произведен методом шаровой мельницы для улучшения границы раздела между NFC и гидрофобной матрицей [72]. NFC, модифицированный янтарным ангидридом, показал повышенную гидрофильность и дал дзета-потенциал -38,7 мВ из-за карбоксильных групп на поверхности.NFC, модифицированный додецилянтарным ангидридом, имел превосходную диспергируемость в о-ксилоле и хорошую совместимость с полиэтиленом. Композиты полиэтилен-NFC продемонстрировали общее улучшение механических свойств. NFC производился из целлюлозы кукурузы и стеблей рапса путем отбеливания, рафинирования и окисления, опосредованного TEMPO, для использования в качестве добавок к бумаге [73]. Комбинация NFC и хитозана в переработанной бумаге позволила достичь высоких значений индекса прочности. Sun et al. [13] применили окисление ЧПУ периодатом натрия в качестве добавки для повышения прочности бумаги во влажном состоянии и исследовали влияние условий реакции на содержание альдегидных групп и потери урожая ЧПУ после окисления.ЧПУ после окисления функционировали как наноразмерная добавка, улучшающая степень сцепления между целлюлозными волокнами (рис. 7).

Santos et al. [74] сосредоточились на облицовке бумаг листами BC в качестве армирующего материала на модельных бумагах из Gluconacetobacter Sucrofermentans . BC улучшил качество испорченной бумаги без изменения информации [75], что является многообещающим альтернативным материалом для восстановления бумаги. Многослойные биокомпозиты PLA / MFC были изготовлены для устойчивых барьерных применений [76], кислородопроницаемость которых в сухих условиях показала замечательный барьерный эффект, который был намного ниже, чем у большинства традиционных барьерных растворов на масляной основе и новых биологических барьеров при относительной влажности 50%.

Биоразлагаемые зеленые эпоксидные композиты, армированные корой тканью, были разработаны для автомобильных приборных панелей [14]. На рисунке 8 изображена схема обработки биокомпозитов коры ткани для автомобильной промышленности. Статические свойства эпоксидных композитов показали предел прочности на разрыв 33 МПа и предел прочности на изгиб 207 МПа. Обработка ткани щелочью положительно повлияла на механические свойства армированных тканью биокомпозитов.

6.Материалы для аккумулирования энергии

Материалы для аккумулирования энергии в заводском исполнении включают суперконденсаторы и литий-ионную батарею. Трехмерные пористые структуры композитов восстановленный оксид графена (RGO) / целлюлоза были изготовлены для потенциальных применений в суперконденсаторах с помощью химического восстановления GO с помощью шаровой мельницы [77]. Трехмерные пористые структуры композитов RGO / целлюлоза показали электропроводность 15,28 См · м ^-1 из-за непрерывной сети RGO с высокой удельной площадью поверхности и быстрым распространением заряда в композитах.Проводящие ЧПУ с высокой циклической стабильностью были получены для применения в суперконденсаторах [15]. Полипиррол ядро-оболочка на поли (N-винилпирролидоне) был покрыт ЧПУ (рис. 9). Композиты обладали четко определенной структурой ядро-оболочка с хорошо сохранившейся одномерной геометрией фибрилл и значительным улучшением электрохимических характеристик.

Четыре композитных электролита, армированных нанофибриллами целлюлозы, были изготовлены для литий-ионных батарей с использованием нанобумаги NFC в качестве усиления в полимерной матрице [78].Композиты, модифицированные эквимолярным раствором пропионилхлорида и акрилоилхлорида, имели модуль упругости> 100 МПа при температуре выше 100 ° C и ионную проводимость около 5 · 10 ^-5 См · см ^-1 при 25 ° C. Снайдер и др. [79] устанавливают критерии для структурных батарей с> 150 МПа и> 1 × 10 ⁻⁵ См · см ⁻¹ .

На основе композитов БЦ / лигнин синтезированы бескаталитические, гибкие, мезопористые и сильно графитизированные углеродные аэрогели со структурой ядро-оболочка [16].Эти материалы имеют потенциальное применение углеродных аэрогелей, включая разделение масла и воды, подложки для катализаторов, датчики и накопители энергии суперконденсаторов и батарей (рис. 10). Большие обратимые деформации углеродных аэрогелей были достигнуты за счет использования упрочняющего эффекта сетки нановолокон BC. Подобная ежевике структура и большая концентрация мезопор в этих материалах способствовали переносу и адсорбции ионов и привели к их высокой поверхностной емкости.

Карбоксиметилцеллюлоза и карбоксиметил каппа-каррагинан были произведены для применения в зеленом полимерном электролите [80].Получены улучшенные механические свойства CMKC с добавлением CMCE. Смесь с соотношением масс.% 60: 40 давала наиболее проводящую пленку с проводимостью 3,25 × 10 ^-4 См см ^-1 .

7. Стабилизатор эмульсии Пикеринга

Функциональные материалы на основе целлюлозы были разработаны в качестве стабилизатора эмульсии Пикеринга благодаря их замечательным эмульгирующим свойствам. Эмульсия Пикеринга пальмового олеина в воде была стабилизирована нанокомпозитами Fe ₃ O ₄ -CNCs с помощью ультразвукового метода соосаждения in situ [81].Готовые нанокомпозиты Fe ₃ O ₄ -CNCs, которые стабилизировали эмульсию Пикеринга, были чувствительны как к pH, так и к магнитным полям, что может иметь потенциальные применения для биомедицины и доставки лекарств в качестве нового поколения интеллектуальных нанотерапевтических носителей. Ян и др. [82] также получили BC с ультратонкой сетевой архитектурой и кристаллическими микрофибриллами диаметром 8-40 нм с помощью Acetobacter xylinum и бактериальных CNC гидролизом серной кислоты с последующим окислением перекиси водорода для их применения в стабилизации эмульсии Пикеринга оливкового масла.Сернокислотный гидролиз BC вызвал удаление аморфных компонентов и расщепление кристаллических микрофибрилл, в результате чего бактериальные ЧПУ обладали начальной температурой разложения 350 ° C, что показало высокую термическую стабильность и хорошие эмульгирующие свойства по сравнению с чистым BC.

ЧПУ с высокими эмульгирующими характеристиками были гетерогенно модифицированы в качестве эмульгаторов для образования эмульсий Пикеринга «масло в воде» посредством двухступенчатого химического процесса, включающего реакцию гидразона и реакцию амидирования [17].После замены н-гексана смешанным маслом стирол / дивинилбензол сшитые микросферы PS с амино-богатой поверхностью были созданы реакцией направленной радикальной сополимеризации эмульсии Пикеринга с последующей обработкой кислотой (рис. 11).

8. Другие универсальные применения

Помимо вышеупомянутых приложений, функциональные материалы на основе целлюлозы имеют и другие разнообразные универсальные применения. Reza et al. [83] подготовили магнитный гидрокар для биогазовых применений из промышленного MCC, добавив ферриты во время гидротермальной карбонизации.Недавно ЧПУ, функционализированные с помощью квантовых точек CdS, были использованы в качестве строительных блоков для изготовления тонких пленок наногибридов с высокой коллоидной стабильностью и узким гранулометрическим составом для приложений по борьбе с подделкой с помощью метода самосборки LbL [84]. Пленки из модифицированного полиэтилентерефталата со структурной окраской от тонкопленочной интерференции и фотолюминесценции могут применяться для защиты от подделки. Пористые целлюлозные шарики были приготовлены в качестве носителя для иммобилизации H ₃ PW ₁₂ O ₄₀ с более высокой каталитической активностью для производства биодизельного топлива с использованием ионной жидкости в качестве растворителя и затем модифицированы с использованием четырех различных реагентов, включая 4-аминостирол [85].После использования этих материалов для этерификации желтого рогового масла выход конверсии составил 96,22%. Chen et al. [86] сообщили о методе переноса графена с помощью СА без введения больших трещин и загрязнения остатков полимерами с использованием СА в качестве удерживающего слоя для защиты графена во время процесса переноса. Композиты CMC / AgNPs были разработаны для применения в качестве доброкачественного ингибитора коррозии стали St37 в среде 15% H ₂ SO ₄ путем восстановления AgNO ₃ in situ с использованием натурального меда и включения в матрицу CMC [87].Композиты CMC / AgNPs замедляют как анодные, так и катодные реакции.

9. Выводы

Целлюлоза — это самый богатый устойчивый ресурс на Земле, который человечество использовало на протяжении тысячелетий. В 20 веке нефтехимические ресурсы заняли первостепенное место в промышленности, которая была основным материальным источником и повышала качество нашей жизни. В 21 веке из-за возрастающих серьезных экологических проблем все больше внимания уделяется материалам из биомассы, которые заменяют нефтехимические вещества во всех видах материалов.Среди них разработаны функциональные материалы на основе целлюлозы. Как упоминалось выше, существует множество отчетов о применении функциональных материалов на основе целлюлозы. Наибольший прогресс был достигнут в области биологических применений, очистки воды, сенсоров и усиливающих агентов. Лишь несколько отчетов были посвящены материалам для аккумулирования энергии и стабилизатору эмульсии Пикеринга. Учитывая быстрое развитие материалов для хранения энергии, необходимо приложить больше усилий в этой области. Очевидно, что для нас это только первый шаг к получению функциональных материалов на основе целлюлозы.Использование этих материалов в качестве ресурса для создания функциональных устройств очень важно для реальных приложений. Кроме того, существует много типов целлюлозы, таких как NFC, CNC, BC, CMC, CA, MC, HEC и HPMC. Типы целлюлозы также играли важную роль в свойствах функциональных материалов на основе целлюлозы. Кроме того, различные материалы, такие как органические и неорганические материалы, были нанесены на композит с целлюлозой для изготовления функциональных материалов на основе целлюлозы. На следующем этапе мы должны уделить больше внимания механизму взаимодействия между целлюлозой и другими материалами.У функциональных материалов на основе целлюлозы будет светлое будущее с развитием науки и технологий.

Конфликт интересов

Ни один из авторов не имеет конфликта интересов.

Благодарности

Финансовая поддержка из фондов фундаментальных исследований для центральных университетов (№ 2017ZY49) и Научно-исследовательского проекта молодых учителей (№ XJEDU2016S042) Университета Научно-исследовательского плана Синьцзян-Уйгурского автономного района признательна.

Discovery показывает, как растения производят целлюлозу для силы и роста — ScienceDaily

Новое исследование, проведенное Медицинской школой Университета Вирджинии, показывает, как растения создают несущие конструкции, которые позволяют им расти — так же, как строительные бригады строят дома .

Финансируемое Министерством энергетики США, новое открытие раскрывает молекулярный механизм, который растения используют для сплетения целлюлозных цепей в подобные кабелям структуры, называемые «микрофибриллами». Эти микрофибриллы обеспечивают жизненно важную поддержку клеточных стенок наземных растений и позволяют им создавать давление внутри своих клеток.Это давление позволяет растениям расти к небу.

«Целлюлоза — это самый распространенный природный полимер, а ее строительный блок, глюкоза, является прямым продуктом фотосинтеза, который захватывает углекислый газ из атмосферы», — сказал исследователь Йохен Циммер, доктор философии, из отдела молекулярной физиологии и биологической физики UVA. «Понимание на молекулярном уровне того, как производится целлюлоза, позволяет нам адаптировать ее биосинтез, чтобы изменять физические свойства целлюлозы, оптимизировать связывание углерода или извлекать накопленную энергию для подпитки антропогенных процессов.«

Конструирование целлюлозы

Целлюлоза — это прочный материал, который с самого начала сопровождал и формировал человеческую эволюцию. Из него делают строительные материалы, одежду, бумагу, пищевые добавки и даже медицинские инструменты. Полимер не растворяется в воде, и микробам очень трудно его расщепить. Это всего лишь несколько примеров уникальных свойств материала целлюлозы.

Циммер и его коллеги пролили свет на то, как растения создают этот важный материал.Ученые знали, что целлюлоза состоит из молекул глюкозы, простого сахара, связанных вместе, но новое исследование показывает, какие молекулярные механизмы используются заводами для этого. По сути, ученые создали план фабрик, на которых растения производят целлюлозу и транспортируют ее к поверхности своих клеток. Эти фабрики известны как комплексы синтазы целлюлозы, и они находятся внутри клеточной мембраны, чтобы обеспечить движение через границу клетки.

Ученые обнаружили, что фабрики производят три целлюлозные цепочки, части которых расположены внутри клетки.Они также транспортируют полимеры к поверхности клетки через каналы, пересекающие границу клетки. Эти каналы высвобождают цепи целлюлозы к единственной точке выхода, чтобы выровнять их в тонкие фибриллярные «протофибриллы». Протофибриллы выходят, как зубная паста из тюбика, в виде нити. Затем они собираются вместе со многими другими в микрофибриллы для выполнения своих основных функций в клеточной стенке.

Прото- и микрофибриллы целлюлозы имеют толщину всего несколько нанометров — нанометр составляет миллиардную долю метра.Но их сила в их количестве. Растения вырабатывают микрофибриллы за микрофибриллами, чтобы поддерживать свои клетки. В собранном виде получившаяся конструкция получается очень прочной. Вы можете думать об этом как о том, как можно упаковать кусочки сухой соломы, чтобы сделать прочную водонепроницаемую соломенную крышу.

Целлюлозные фабрики слишком малы, чтобы их можно было увидеть в обычный световой микроскоп. Чтобы нанести их на карту, Циммер и его коллеги использовали возможности электронного микроскопа Titan Krios UVA. Эта машина настолько чувствительна, что ее закопают глубоко под землей, заключенные в тонны бетона, чтобы избавить ее от малейших вибраций.Это позволяет ученым раскрыть увлекательный молекулярный мир, ранее скрытый от человеческого взора.

В данном случае это позволило исследовательской группе получить первое представление о производстве и сборке самого распространенного в мире биополимера.

«Мы уже сталкиваемся с быстро меняющимися условиями окружающей среды, которые влияют на сельское хозяйство и продовольственную безопасность во всем мире. В будущем понимание того, как растения действуют на молекулярном уровне, будет иметь все большее значение для здоровья населения», — сказал Циммер.«Сейчас как никогда важно инвестировать в науку о растениях».

Исследование проводилось при поддержке Центра изучения структуры и образования лигноцеллюлозы, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики, фундаментальная энергетика, награда № DESC0001090.

.