Bewertung von Modifikation an funktionellen Gruppen monodisperser Zellulose-Nanofaser (CNF)
Zellulose ist eine Art Polysaccharid, das der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände ist. Zellulose mit einem Faserdurchmesser von 4 nm bis 100 nm, einer Länge von mehreren μm und einem Seitenverhältnis von 100 oder mehr wird als Zellulose-Nanofaser (CNF) bezeichnet und hat als ein neues, hochmodernes Biomassenmaterial Aufmerksamkeit erregt. CNF hat eine Reihe von herausragenden Funktionen.
Neben dem geringen Gewicht und der hohen Festigkeit verfügt es auch über eine hohe Gasbarriereeigenschaft, Adsorption und Transparenz. Da es sich bei CNF zudem um ein pflanzliches Material handelt, sind die mit der Produktion und Abfallentsorgung verbundenen Umweltauswirkungen gering. Zukünftige Anwendungen werden voraussichtlich Automobilkomponenten, elektronische Materialien und Verpackungen umfassen.
Die Applikation Nr. A579 führte eine Bewertung der Modifikationsfunktionsgruppen von vernetzten CNFs ein. Diese stellt ein Beispiel für die Bewertung der Modifikationsfunktionsgruppen monodisperser CNF anhand eines IRSpirit™ Fourier-Transformations-Infrarotspektrophotometers vor.
Was ist Zellulose-Nanofaser (CNF)?
CNF lässt sich grob in den monodispersen Typ und den vernetzten Typ unterteilen. Der vernetzte Typ hat einen Faserdurchmesser von etwa 20 nm bis 100 nm und wird durch mechanische Zerfaserung hergestellt. Im Gegensatz dazu hat der monodisperse Typ einen Faserdurchmesser von etwa 3 nm bis 5 nm, und die einzelnen Fasern sind dispergiert. Bei monodispersem CNF wird TEMPO-oxidiertes CNF (TOCN) durch eine Kombination aus einer chemischen Reaktion namens TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl)-vermittelte Oxidation und schonende mechanische Bearbeitung auf Nanometergröße defibriert. TEMPO-oxidiertes CNF hat einen einheitlichen Faserdurchmesser von 3 nm bis 4 nm und zeichnet sich durch hohe Dispergierbarkeit in Lösungen und Transparenz aus.
Die an vernetztes CNF gebundene Modifikationsfunktionsgruppe CH2OH wird durch den TEMPO-Oxidationskatalysator in COO- umgewandelt, wie in Abb. 1 schematisch dargestellt. Da die hydrophile Gruppe in eine hydrophobe Gruppe umgewandelt wird, ist eine Mischung mit Harzen möglich, da Harze ebenfalls hydrophob sind. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft wird ein breites Spektrum industrieller Anwendungen erwartet, darunter Verbundwerkstoffe mit Harzen und Gummi sowie die Verwendung in Farben.
Bewertung von Modifikationsfunktionsgruppen des CNF
Ein TOCN-Film wurde als monodisperser CNF verwendet. Dieser monodisperse CNF wurde mit einem Film aus aus Holz gewonnenem CNF, bei dem es sich um einen CNF vom Netzwerktyp handelt, und einem Film aus Carboxymethylcellulose (CMC) verglichen. Abb. 2 zeigt das Aussehen der Filmproben, die bei der Bewertung der funktionellen Gruppen verwendet wurden. Tabelle 1 zeigt die in diesem Experiment bewerteten Muster und Modifikationsfunktionsgruppen. Diese wurden mit der Methode der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) unter Verwendung eines IRSpirit-T Fourier-Transformations-Infrarotspektrophotometers gemessen (Abb. 3). Bei der ATR-Methode werden die Proben gemessen, indem die Folie in engen Kontakt mit dem Prisma gebracht wird, wie in Abb. 4 gezeigt.
Tabelle 1 Liste von Mustern und Modifikationsfunktionsgruppen
| Probenname | Rohmaterial | Modifikation Funktionsgruppe |
|---|---|---|
| (a) TOCN | Zellulose | Carboxy-Gruppe |
| (b) Aus Holz gewonnener CNF | Zellulose | Hydroxy-Gruppe |
| (c) CMC | Carboxymethyl-Zellulose | Carboxymethyl-Gruppe |
Tabelle 2 Messbedingungen
| Instrumente | IRSpirit-T (KBr-Fensterplatte) & QATR-S (Breitband-Diamantprisma) |
| Auflösung | 4 cm-1 |
| Akkumulation | 20 Mal |
| Apodisierungsfunktion | Happ-Genzel |
| Detektor | DLATGS |
Tabelle 2 zeigt die Messbedingungen, und Abb. 5 zeigt die Messergebnisse. In den Infrarotspektren aller Proben können Peaks der Zellulose, die von der Streckschwingung der O-H-Bindung bei 3.600 cm-1 bis 3.200 cm-1 und der Streckschwingung der C-O-Bindung bei 1.100 cm-1 bis 900 cm- 1 stammen, beobachtet werden. Zusätzlich ist ein Peak, der von der antisymmetrischen Streckschwingung der COO- von Carboxylat herrührt, bei 1.600 cm-1 im TOCN- und CMC-Spektrum zu sehen. Abb. 6 zeigt das Ergebnis einer Spektrensuche nach dem aus Holz gewonnenen CNF. Das Spektrum des aus Holz gewonnenen CNF ist in guter Übereinstimmung mit dem Bibliotheksspektrum der Zellulose. Somit ist eine einfache Untersuchung der funktionellen Gruppen mittels FTIR möglich.
Fazit
Die Modifikationsfunktionsgruppen monodisperser CNFs wurden mit der ATR-Methode unter Verwendung von FTIR bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die funktionellen Modifikationsgruppen bei TOCN und CMC, die monodisperse CNFs sind, und bei CNF aus Holz, der ein CNF vom Netzwerktyp ist, unterschiedlich sind. Insbesondere die Tatsache, dass die monodispersen CNFs vom monodispersen Typ die Carboxygruppe aufweisen und der holz-basierte CNF eine gute Übereinstimmung mit dem Bibliotheksspektrum der Zellulose zeigt, konnte durch eine einfache und leichte Analyse bestätigt werden.
<Danksagung>
Bei der Durchführung dieser Messungen stellte Prof. Akira Isogai von der Universität Tokio die Proben und wertvolles Wissen im Zusammenhang mit CNF zur Verfügung. Wir möchten diese Gelegenheit nutzen, um Prof. Isogai unsere tiefe Anerkennung auszusprechen.
