СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ, АРМИРОВАННЫХ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗОЙ, ПОЛУЧЕННОЙ СЕРНОКИСЛОТНЫМ ГИДРОЛИЗОМ И ТЕМПО-ОКИСЛЕНИЕМ
Аннотация
Основным недостатком нанокристаллической целлюлозы (НКЦ), полученной традиционным сернокислотным гидролизом, является ее низкая термическая стабильность вследствие пиролиза, катализируемого поверхностными сульфогруппами. Замена поверхностных сульфогрупп карбоксильными (в результате окисления) позволяет значительно повысить термическую стабильность НКЦ. Несмотря на большое количество публикаций, описывающих свойства полимерных нанокомпозитов, армированных НКЦ, термическая устойчивость таких композитов до сих пор плохо изучена, а литературные данные часто противоречивы. В данной работе НКЦ получали из микрокристаллической целлюлозы двумя способами: сернокислотным гидролизом и окислением (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксилом (ТЕМПО). Получены композиты НКЦ с водорастворимыми полимерами – поливиниловым спиртом, полиэтиленоксидом, поливинилпирролидоном и полиакриламидом. Композиты были охарактеризованы различными методами, а именно: просвечивающей электронной и растровой электронной микроскопией, энергодисперсионным рентгеноспектральным анализом, инфракрасной Фурье-спектроскопией, рентгеноструктурным и термогравиметрическим анализами, дифференциальной сканирующей калориметрией, испытаниями на растяжение. Проведено сравнительное изучение термических и механических свойств полимерных композитов, армированных наноцеллюлозой, полученной сернокислотным гидролизом и ТЕМПО-окислением. Анализ термических свойств НКЦ показывает, что замена поверхностных сульфогрупп на карбоксильные приводит к значительному повышению температуры начала термического разложения и температуры максимальной скорости разложения НКЦ. Однако термическое поведение композитов с полимерами намного сложнее, что подробно обсуждается в представленном материале. Анализ механических свойств композитов показал, что добавление наноцеллюлозы, полученной ТЕМПО-окислением, не приводит к существенному улучшению прочности на разрыв и модуля Юнга по сравнению с наноцеллюлозой, полученной сернокислотным гидролизом.
Для цитирования:
Воронова М.И., Суров О.В., Кузиева М.М., Атаханов А.А. Сравнительный анализ термических и механических свойств полимерных композитов, армированных наноцеллюлозой, полученной сернокислотным гидролизом и ТЕМПО-окислением. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 10. С. 95-105. DOI: 10.6060/ivkkt.20226510.6596.
Литература
Moon R.J., Martini A., Nairn J., Simonsen J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chem. Soc. Rev. 2011. V. 40. N 7. P. 3941–3994. DOI: 10.1039/C0CS00108B.
Nagarajan K.J., Balaji A.N., Ramanujam N.R. Isolation and characterization of cellulose nanocrystals from Saharan aloe vera cactus fibers. Int. J. Polym. Anal. Ch. 2020. V. 25. N 2. P. 51–64. DOI: 10.1080/1023666X.2018.1478366.
Klemm D., Kramer F., Moritz S., Lindström T., Ankerfors M., Gray D., Dorris A. Nanocelluloses: A New Family of Nature-Based Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 2011. V. 50. N 24. P. 5438-5466. DOI: 10.1002/anie.201001273.
Habibi Y., Lucia L.A., Rojas O.J. Cellulose Nanocrystals: Chemistry, Self-Assembly, and Applications. Chem. Rev. 2010. V. 110. N 6. P. 3479-3500. DOI: 10.1021/cr900339w.
Kargarzadeh H., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A. Handbook of Nanocellulose and Cellulose Nanocomposites. New York: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. 2017. 920 p. DOI: 10.1002/9783527689972.
Zhu H., Luo W., Ciesielski P.N., Fang Z., Zhu J.Y., Hen-riksson G., Himmel M.E., Hu L. Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Appli-cations. Chem. Rev. 2016. V. 116. N 16. P. 9305-9374. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00225.
Thomas B., Raj M.C., Athira K.B., Rubiyah M.H., Joy J., Moores A., Drisko G.L., Sanchez C. Nanocellulose, a Ver-satile Green Platform: From Biosources to Materials and Their Applications. Chem. Rev. 2018. V. 118. N 24. P. 11575-11625. DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00627.
Dhali K., Ghasemlou M., Daver F., Cass P., Adhikari B.
A review of nanocellulose as a new material towards envi-ronmental sustainability. Sci. Total Environ. 2021. V. 775. ID 145871. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145871.
Amara C., El Mahdi A., Medimagh R., Khwaldia K. Nanocellulose-based composites for packaging applications. Curr. Opin. Green Sustain. Chem. 2021. V. 31. ID 100512. DOI: 10.1016/j.cogsc.2021.100512.
Reshmy R., Thomas D., Philip E., Paul S.A., Madhavan A., Sindhu R., Binod P., Pugazhendhi A., Sirohi R., Tarafdar A., Pandey A. Potential of nanocellulose for wastewater treatment. Chemosphere 2021. V. 281. ID 130738. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.130738.
Lin N., Dufresne A. Surface chemistry, morphological analysis and properties of cellulose nanocrystals with gradiented sulfation degrees. Nanoscale. 2014. V. 6. P. 5384-5393. DOI: 10.1039/C3NR06761K.
Yu X., Tong S., Ge M., Wu L., Zuo J., Cao C., Song W. Adsorption of heavy metal ions from aqueous solution by carboxylated cellulose nanocrystals. J. Environ. Sci. 2013. V. 25. N 5. P. 933–943. DOI: 10.1016/S1001-0742(12)60145-4.
Yu, H.-Y., Zhang D.-Z., Lu F.-F., Yao J. New Approach for Single-Step Extraction of Carboxylated Cellulose Nano-crystals for Their Use As Adsorbents and Focculants. ACS Sustain. Chem. Eng. 2016. V. 4. N 5. P. 2632–2643. DOI: 10.1021/acssuschemeng.6b00126.
Zhang K., Sun P., Liu H., Shang S., Song J., Wang D. Extraction and comparison of carboxylated cellulose nano-crystals from bleached sugarcane bagasse pulp using two different oxidation methods. Carbohydr. Polym. 2016. V. 138. P. 237–243. DOI: 10.1016/j.carbpol.2015.11.038.
Cheng M., Qin Z.Y., Liu Y.N., Qin Y.F., Li T., Chen L., Zhu M.F. Efficient extraction of carboxylated spherical cellulose nanocrystals with narrow distribution through hydrolysis of lyocell fibers by using ammonium persulfate as an oxidant. J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. P. 251–258. DOI: 10.1039/C3TA13653A.
Kumar V., Yang T. HNO3/H3PO4–NaNO2 mediated oxida-tion of cellulose—preparation and characterization of bioab-sorbable oxidized celluloses in high yields and with different levels of oxidation. Carbohydr. Polym. 2002.V. 48. N 4. P. 403–412. DOI: 10.1016/S0144-8617(01)00290-9.
Xu Y., Liu X., Liu X., Tan J., Zhu H. Influence of HNO3/H3PO4–NaNO2 mediated oxidation on the structure and properties of cellulose fibers. Carbohydr. Polym. 2014. V. 111. P. 955–963. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.05.029.
Leung A.C., Hrapovic S., Lam E., Liu Y., Male K.B., Mahmoud K.A., Luong J.H. Characteristics and properties of carboxylated cellulose nanocrystals prepared from a novel one-step procedure. Small. 2011. V. 7. N 3. P. 302–305. DOI: 10.1002/smll.201001715.
Eyley S., Thielemans W. Surface modification of cellulose nanocrystals. Nanoscale. 2014. V. 6. P. 7764-7779. DOI: 10.1039/C4NR01756K.
Rubleva N.V., Lebedeva E.O., Afineevskii A.V., Vorono-va M.I., Surov O.V., Zakharov A.G. Production of cellu-lose nanocrystals by hydrolysis in mixture of hydrochloric and nitric acids. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 12. P. 85-93. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.5984.
Voronova M.I., Surov O.V., Guseinov S.S., Barannikov V.P., Zakharov A.G. Thermal stability of polyvinyl alco-hol/nanocrystalline cellulose composites. Carbohydr. Polym. 2015. V. 130. P. 440–447. DOI: 10.1016/j.carbpol.2015.05.032.
Surov O.V., Voronova M.I., Afineevskii A.V., Zakharov A.G. Polyethylene oxide films reinforced by cellulose nano-crystals: Microstructure-properties relationship. Carbohydr. Polym. 2018. V. 181. P. 489–498. DOI: 10.1016/j.carbpol.2017.10.075.
Voronova M., Rubleva N., Kochkina N., Afineevskii A., Zakharov A., Surov O. Preparation and Characterization of Polyvinylpyrrolidone/Cellulose Nanocrystals Composites. Nanomaterials-Basel. 2018.V. 8. N 12. ID 1011. DOI: 10.3390/nano8121011.
Kyrychenko A., Korsun O.M., Gubin I.I., Kovalenko S.M., Kalugin O.N. Atomistic Simulations of Coating of Sil-ver Nanoparticles with Poly(vinylpyrrolidone) Oligomers: Effect of Oligomer Chain Length. J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. N 14. P. 7888–7899. DOI: 10.1021/jp510369a.
Al-Saidi W.A., Feng H., Fichthorn K.A. Adsorption of Polyvinylpyrrolidone on Ag Surfaces: Insight into a Struc-ture-Directing Agent. Nano Lett. 2012. V. 12. N 2. P. 997–1001. DOI: 10.1021/nl2041113.
Nathanael A.J., Seo Y.H., Oh T.H. PVP Assisted Synthesis of Hydroxyapatite Nanorods with Tunable Aspect Ratio and Bioactivity. J. Nanomater. 2015. Art. ID 621785. DOI: 10.1155/2015/621785.
Voronova M.I., Surov O.V., Afineevskii A.V., Zakharov A.G. Properties of polyacrylamide composites reinforced by cellulose nanocrystals. Heliyon 2020. V. 6. N 11. ID e05529. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e05529.
Julkapli N.M., Bagheri S. Progress on nanocrystalline cellu-lose biocomposites. React. Funct. Polym. 2017. V. 112. P. 9-21. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2016.12.013.
Kontturi E., Laaksonen P., Linder M.B., Nonappa, Gröschel A.H., Rojas O.J., Ikkala O. Advanced Materials through Assembly of Nanocelluloses. Adv. Mater. 2018. V. 30. N 24. ID 1703779. DOI: 10.1002/adma.201703779.
Trache D., Tarchoun A.F., Derradji M., Hamidon T.S., Masruchin N., Brosse N., Hussin M.H. Nanocellulose: From Fundamentals to Advanced Applications. Front. Chem. 2020. V. 8. ID 392. DOI: 10.3389/fchem.2020.00392.
Kargarzadeh H., Mariano M., Gopakumar D., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A., Huang J., Lin N. Advances in cellulose nanomaterials. Cellulose. 2018. V. 25. P. 2151-2189. DOI: 10.1007/s10570-018-1723-5.
Kargarzadeh H., Huang J., Lin N., Ahmad I., Mariano M., Dufresne A., Thomas S., Gałęski A. Recent Develop-ments in Nanocellulose-based Biodegradable Polymers, Thermoplastic Polymers, and Porous Nanocomposites. Prog. Polym. Sci. 2018. V. 87. P. 197-227. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2018.07.008.
Klemm D., Cranston E.D., Fischer D., Gama M., Kedzior S.A., Kralisch D., Kramer F., Kondo T., Lindström T., Nietzsche S., Petzold-Welcke K., Rauchfuß F. Nanocellu-lose as a natural source for groundbreaking applications in materials science: Today’s state. Mater. Today. 2018.V. 21. N 7. P. 720-748. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.02.001.
Bondeson D., Mathew A., Oksman K. Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis. Cellulose. 2006. V. 13. P. 171–180. DOI: 10.1007/s10570-006-9061-4.
Jiang F., Hsieh Y.-L. Chemically and mechanically isolated nanocellulose and their self-assembled structures. Carbohydr. Polym. 2013. V. 95. N 1. P. 32– 40. DOI: 10.1016/j.carbpol.2013.02.022.
French A.D. Idealized powder diffraction patterns for cellulose polymorphs. Cellulose. 2014. V. 21. P. 885-896. DOI: 10.1007/s10570-013-0030-4.
Jawaid M., Boufi S., Abdul Khalil H.P.S. Cellulose-Reinforced Nanofibre Composites. Toronto: Woodhead Publ. 2017. 548 p.
Gan P.G., Sam S.T., bin Abdullah M.F., Omar M.F. Thermal properties of nanocellulose-reinforced composites: A review. J. Appl. Polym. Sci. 2020. V. 137. N 11. ID 48544. DOI: 10.1002/app.48544.
Surov O.V., Voronova M.I., Rubleva N.V., Afineevskii A.V., Zakharov A.G. Cellulose nanocrystals as a compatibil-izer for improved miscibility of water-soluble polymer binary blends. J. Appl. Polym. Sci. 2019. V. 137. N 19. ID 48662. DOI: 10.1002/app.48662.
Volynskii A.L., Yarysheva A.Y., Rukhlya E.G., Yaryshe-va L.M., Bakeev N.F. Specific features of structure and properties of solutions, melts and solid states of polymers in confined nanometric volumes. Russ. Chem. Rev. 2014. V. 83. N 11. P. 1003–1026. DOI: 10.1070/RCR4428.
