Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

Hout is een complex materiaal, een natuurlijk composiet van lange, sterke vezels van cellulose die bij elkaar worden gehouden door een plakkerige, lijmachtige substantie genaamd lignine. Om hout bruikbaar te maken voor hoogtechnologische toepassingen, moeten wetenschappers vaak deze zuivere cellulosevezels isoleren en afbreken tot piepkleine, naaldachtige structuren die cellulose-nanokristallen worden genoemd. Deze microscopische staafjes zijn ongelooflijk sterk en licht, waardoor ze waardevol zijn voor het versterken van plastics, het creëren van flexibele elektronica of het verbeteren van medische materialen. Het extraheren ervan is echter moeilijk. Traditioneel gebruiken chemici agressieve zuren om de lijm op te lossen en de vezels te scheiden, maar dit proces is gevaarlijk, produceert giftig afval en vernietigt vaak de delicate structuur van de kristallen. Een zachter alternatief is het gebruik van een chemische stof genaamd ammoniumpersulfaat, die fungeert als een milde oxidator om cellulosische materialen af te breken zonder dat daarvoor sterke zuren of de verwijdering van andere natuurlijke componenten nodig zijn. De uitdaging is geweest dat hoewel deze methode veiliger is, deze historisch gezien inefficiënt was, waarbij minder kristallen werden opgebracht en deze met inconsistente vormen en maten werden geproduceerd.

Een team onderzoekers aan de Nanjing Forestry University zette zich af om dit efficiëntieprobleem op te lossen door de manier waarop zij de chemische stof in de reactie introduceerden te veranderen. In plaats van de volledige hoeveelheid ammoniumpersulfaat aan het begin van de reactie in de houtpulp te dumpen, experimenteerden zij met het toevoegen ervan in twee aparte fasen. Zij ontdekten dat deze eenvoudige aanpassing in timing en hoeveelheid de manier waarop de chemische stof afbrak en interactie had met het hout fundamenteel veranderde. Door vier uur na de eerste toevoeging de tweede portie te introduceren, creëerden zij een reactieomgeving die aanzienlijk effectiever was. Deze twee-stappen-aanpak versnelde niet alleen het proces; het veranderde ook de essentie van de kristallen die werden gevormd, wat resulteerde in een veel hogere opbrengst van materiaal dat meer uniform was en beter geschikt was voor het versterken van andere materialen.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer de chemische stof in één keer werd toegevoegd, deze relatief langzaam uiteenviel, en de reactieve deeltjes die het creëerde de neiging hadden om snel te worden verbruikt of met elkaar te reageren voordat ze de houtvezels volledig konden penetreren. Door de toevoeging te splitsen, behielden zij een meer consistente en effectieve concentratie van deze reactieve deeltjes gedurende het tien uur durende proces. Dit stelde de chemische stof in staat om efficiënter te werken, waardoor het hout sneller in nanokristallen werd afgebroken. Het resultaat was een dramatische toename van de totale hoeveelheid verkregen materiaal. In hun meest succesvolle experiment sprong de totale opbrengst van nanokristallen van ongeveer 42 procent naar bijna 58 procent, wat betekende dat er aanzienlijk meer bruikbaar materiaal werd geproduceerd uit dezelfde hoeveelheid startende houtpulp.

Naast het produceren van meer kristallen, produceerde de twee-stappen-methode kristallen met superieure fysieke eigenschappen. De onderzoekers maten de lengte en breedte van de individuele nanokristallen en vonden dat het twee-stappen-proces staafjes creëerde die merkbaar langer en dunner waren dan die gemaakt met de traditionele één-stap-methode. Deze verandering in vorm is cruciaal omdat langere, dunnere staafjes een hogere aspectratio hebben, wat een maat is voor hoe slank een object is in vergelijking met de breedte. In de beste gevallen nam de lengte van de kristallen met meer dan 100 procent toe, en hun aspectratio verbeterde met meer dan 140 procent. Bovendien werd de grootte van de kristallen veel consistenter. In de traditionele methode varieerden de kristallen enorm in lengte en breedte, maar de twee-stappen-methode produceerde een partij waarbij bijna elk kristal bijna identiek was in grootte. Deze uniformiteit is essentieel voor industriële toepassingen, omdat het ervoor zorgt dat het uiteindelijke materiaal voorspelbaar reageert.

De chemische eigenschappen van deze nieuwe kristallen vertoonden ook veelbelovende verbeteringen. De kristallen behielden een hoog niveau van thermische stabiliteit, wat betekent dat ze hogere temperaturen kunnen weerstaan voordat ze afbreken, wat essentieel is als ze gemengd worden in plastics die tijdens het productieproces gesmolten worden. Hoewel de kristallen uit de twee-stappen-methode een iets lagere graad van interne orde, of kristalliniteit, hadden vergeleken met de traditionele methode, schaadde dit hun prestaties niet. Sterker nog, het kan geholpen hebben. Toen de onderzoekers deze nieuwe kristallen mengden met een polyvinylalcoholfilm, een veelvoorkomend type plastic, waren de resultaten opmerkelijk. De film werd aanzienlijk sterker en stijver. Het meest indrukwekkend was dat de film ook veel taaier werd, wat betekent dat deze meer energie kon absorberen voordat deze brak. De best presterende kristallen, die gemaakt waren met de twee-stappen-methode, verhoogden de sterkte van de plastic film met meer dan 70 procent en de taaiheid met bijna 80 procent, en dat allemaal bij een zeer lage concentratie van slechts één procent.

Deze studie demonstreert dat de manier waarop een chemische stof aan een reactie wordt toegevoegd, even belangrijk kan zijn als de chemische stof zelf. Door simpelweg de toevoeging van ammoniumpersulfaat te splitsen in twee batches, waren de onderzoekers in staat de houtpulp te bewegen tot het opleveren van meer materiaal, met een betere vorm, grootte en sterkte. De bevindingen suggereren dat deze methode de productie van hoogwaardige cellulose-nanokristallen efficiënter en kosteneffectiever kan maken, wat potentieel de deur opent voor breder gebruik van deze duurzame, op hout gebaseerde materialen in alles van sterkere verpakkingen tot geavanceerde medische apparaten. Het werk bevestigt dat een zorgvuldige aanpassing aan de timing van een chemische reactie aanzienlijke verbeteringen in de kwaliteit en kwantiteit van het eindproduct kan ontsluiten.