ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

  • Olga V. Fedotova Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
  • Ksenia V. Trofimova Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
  • Pavel Y. Tsygankov Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева https://orcid.org/0000-0003-2630-3838
  • Ruslan R. Safarov Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236602.6736
Ключевые слова: целлюлоза, аэрогели, криогели, сверхкритическая сушка, сублимационная сушка

Аннотация

Высокопористые материалы на основе природных полимеров представляют особый интерес в различных областях применения. Среди них, например, биомедицина, очистка воды, теплоизоляция. В данной работе описан разработанный метод получения высокопористых материалов на основе целлюлозы, включающий: растворение микрокристаллической целлюлозы в водном растворе гидроксида натрия с мочевиной; сшивку целлюлозы с использованием эпихлоргидрина; сушку полученных гелей. Исследовано влияние концентраций целлюлозы и сшивающего агента и способа сушки – сублимационной (получение криогелей) и сверхкритической (получение аэрогелей) – на конечные структурные характеристики полученных материалов. Криогели и аэрогели на основе целлюлозы охарактеризованы методами гелиевой пикнометрии, азотной порометрии и сканирующей электронной микроскопии.  Было выявлено, что с увеличением концентрации целлюлозы и эпихлоргидрина пористость образцов значительно снижается (с 84% до 22% для аэрогелей). Для образцов с наибольшей концентрацией сшивающего агента пористость криогелей выше (63%), чем пористость аэрогелей (22%). Методом азотной порометрии были определены удельная площадь поверхности и объём мезопор, а также получены изотермы адсорбции-десорбции азота. Несмотря на то, что аэрогели обладают более низкой пористостью, для них характерна более высокая удельная площадь поверхности, чем для криогелей (162 м2/г для аэрогеля и 65 м2/г для криогеля с содержанием целлюлозы 6 масс.% и эпихлоргидрина 4 масс.%). Получены изображения сканирующей электронной микроскопии, из которых видно, что аэрогели обладают пористой волокнистой структурой, а для криогелей характерна слоистая макропористая структура. Применение сверхкритической сушки с использованием CO2 позволяет избежать разрушения мезопористой структуры материала.

Для цитирования:

Федотова О.В., Трофимова К.В., Цыганков П.Ю., Сафаров Р.Р. Исследование влияния параметров получения высокопористых целлюлозных материалов на их структурные характеристики. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 2. С. 107-113. DOI: 10.6060/ivkkt.20236602.6736.

Биографии авторов

Ksenia V. Trofimova, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Студентка 1-го курса магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга кафедры химического и фармацевтического инжиниринга

Pavel Y. Tsygankov, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

К.т.н., научный сотрудник и старший преподаватель кафедры химического и фармацевтического инжиниринга

Ruslan R. Safarov, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Директор департамента научно-технической политики РХТУ им. Д.И. Менделеева, кандидат технических наук

Литература

Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A., Karimov E.H., Egorov M.P., Movsumzade E.M., Evstigneev E.I., Vasiliev A.V., Sevastyanova M.V., Voloshin A.I., Nifantyev N.E., Nosov V.V., Dokichev V.A., Babaev E.R., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Fakhreeva A.V., Baulin O.A., Kolchina G.Yu., Voronov M.S., Staroverov D.V., Kozlovsky I.A., Kozlovsky R.A., Tarasova N.P., Zanin A.A., Krivoborodov E.G., Karimov O.Kh., Flid V.R., Loginova M.E. Renewable natural raw materials. structure, properties, application prospects. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 9. P. 4-121 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.

Abdul Khalil H. P. S., Adnan A.S., Esam Bashir Yahya, Olaiya N.G., Safrida Safrida, Sohrab Hossain Md., Venugopal Balakrishnan, Deepu A. Gopakumar, Abdullah C.K., Oyekanmi A.A., Daniel Pasquini. A review on plant cellulose nanofibre-based aerogels for biomedical applications. Polymers. 2020. V. 12. N 8. P. 1759. DOI: 10.3390/polym12081759.

Yan G., Chen B., Zeng X., Sun Y., Tang X., Lin L. Recent advances on sustainable cellulosic materials for pharmaceutical carrier applications. Carbohydr. Polym. 2020. V. 244. P. 116492. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.116492.

Matthew S. Mettler, Alex D. Paulsen, Dionisios G. Vlachos, Paul J. Dauenhauer. Pyrolytic conversion of cellulose to fuels: levoglucosan deoxygenation via elimination and cyclization within molten biomass. Energy Environ. Sci. 2012. V. 5. N 7. P. 7864-7868. DOI: 10.1039/C2EE21305B.

Zhao D., Zhu Y., Cheng W., Chen W., Wu Y., Yu H. Cellulose‐based flexible functional materials for emerging intelligent electronics. Adv. Mater. 2021. V. 33. N 28. P. 2000619. DOI: 10.1002/adma.202000619.

Nie S., Hao N., Zhang K., Xing C., Wang S. Cellulose nanofibrils-based thermally conductive composites for flexible electronics: a mini review. Cellulose. 2020. V. 27. N 8. P. 4173-4187. DOI: 10.1007/s10570-020-03103-y.

Wang X., Yao C., Wang F., Li Z. Cellulose‐based nano-materials for energy applications. Small. 2017. V. 13. N 42. P. 1702240. DOI: 10.1002/smll.201702240.

Kim J.H., Lee D., Lee Y.H., Chen W., Lee S.Y. Nanocellulose for energy storage systems: beyond the limits of synthetic materials. Adv. Mater. 2019. V. 31. N 20. P. 1804826. DOI: 10.1002/adma.201804826.

Wang Q., Sun J., Yao Q., Ji C., Liu J., Zhu Q. 3D printing with cellulose materials. Cellulose. 2018. V. 25. N 8. P. 4275-4301. DOI: 10.1007/s10570-018-1888-y.

Li V. C. F., Dunn C. K., Zhang Z., Deng Y., Qi H.J. Direct ink write (DIW) 3D printed cellulose nanocrystal aerogel structures. Sci. Rep. 2017. V. 7. N 1. P. 1-8. DOI: 10.1038/s41598-017-07771-y.

Nguyen S. T., Feng J., Le N. T., Le A. T. T., Hoang N., Tan V. B. C., Duong H. M. Cellulose aerogel from paper waste for crude oil spill cleaning. Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. N 51. P. 18386-18391. DOI: 10.1021/ie4032567.

Srasri K., Thongroj M., Chaijiraaree P., Thiangtham S., Manuspiya H., Pisitsak P., Ummartyotin S. Recovery po-tential of cellulose fiber from newspaper waste: An approach on magnetic cellulose aerogel for dye adsorption material. Int. J. Biol. Macromol. 2018. V. 119. P. 662-668. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2018.07.123.

Lin R., Li A., Zheng T., Lu L., Cao Y. Hydrophobic and flexible cellulose aerogel as an efficient, green and reusable oil sorbent. RSC Adv. 2015. V. 5. N 100. P. 82027-82033. DOI: 10.1039/C5RA15194E.

Zhao Y., Zhong K., Liu W., Cui S., Zhong Y., Jiang S. Preparation and oil adsorption properties of hydrophobic microcrystalline cellulose aerogel. Cellulose. 2020. V. 27. N 13. P. 7663-7675. DOI: 10.1007/s10570-020-03309-0.

Hatakeyama T., Hatakeyama H. Thermal properties of green polymers and biocomposites. Springer Science & Business Media. 2006. V. 4.

Medronho B., Romano A., Miguel M.G., Stigsson L., Lindman B. Rationalizing cellulose (in) solubility: reviewing basic physicochemical aspects and role of hydrophobic interactions. Cellulose. 2012. V. 19. N 3. P. 581-587. DOI: 10.1007/s10570-011-9644-6.

Liebert T. Cellulose solvents–remarkable history, bright future. Cellulose solvents: for analysis, shaping and chemical modification. ACS Symposium Series. 2010. P. 3-54. DOI: 10.1021/bk-2010-1033.ch001.

Berezin A.S., Tuzhikov O.I. Mechanisms of cellulose dissolution in direct aqueous solvents (review). Izv. VolgGTU. 2010. N 2. P. 5-23 (in Rus-sian).

Cai J., Kimura S., Wada M., Kuga S., Zhang L. Cellulose aerogels from aqueous alkali hydroxide–urea solution. ChemSusChem. 2008. V. 1. N 1‐2. P. 149-154. DOI: 10.1002/cssc.200700039.

Pandey M, Amin M.C.I.M., Mohamad N., Ahmad N., Muda S. Structure and characteristics of bacterial cellulose-based hydrogels prepared by cryotropic gelation and irradiation methods. Polym. Plast. Technol. Eng. 2013. V. 52. N 14. P. 1510-1518. DOI: 10.1080/03602559.2013.820755.

Qin X., Lu A., Zhang L. Gelation behavior of cellulose in NaOH/urea aqueous system via cross-linking. Cellulose. 2013. V. 20. N 4. P. 1669-1677. DOI: 10.1007/s10570-013-9961-z.

Demitri C., Sole R. D., Scalera F., Sannino A., Vasapollo G., Maffezzoli A., Ambrosio L., Nicolais L. Novel super-absorbent cellulose‐based hydrogels crosslinked with citric acid. J. Appl. Polym. Sci. 2008. V. 110. N 4. P. 2453-2460. DOI: 10.1002/app.28660.

Marcì G., Mele G., Palmisano L., Pulito P., Sannino A. Environmentally sustainable production of cellulose-based superabsorbent hydrogels. Green Chem. 2006. V. 8. N 5. P. 439-444. DOI: 10.1039/B515247J.

Gaidhani K. A, Harwalkar M., Bhambere D., Nirgude P.S. Lyophilization/freeze drying–a review. World J. Pharm. Res. 2015. V. 4. N 8. P. 516-543.

García-González C.A., Camino-Rey M.C., Alnaief M., Zetzl C., Smirnovaa I. Supercritical drying of aerogels using CO2: Effect of extraction time on the end material textural properties. J. Supercrit. Fluids. 2012. V. 46. N 1-4. P. 129-132. DOI: 10.1016/j.supflu.2012.02.026.

Gavrilova N.N., Nazarov V.V. Analysis of porous structure based on adsorption data. M.: RKhTU im Mendeleeva. 2015. 132 p. (in Russian).

Опубликован
2023-01-20
Как цитировать
Fedotova, O. V., Trofimova, K. V., Tsygankov, P. Y., & Safarov, R. R. (2023). ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 66(2), 107-113. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236602.6736
Выпуск
Том 66 № 2 (2023)
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы