グラフト化ナノフィブリル化セルロース系ハイドロゲルの合成とその熱力学的・運動学的・電子的特性の研究

Synthesis of grafted nano-fibrillated cellulose-based hydrogel and study of its thermodynamic, kinetic, and electronic properties.

• Mohammad A Khalilzadeh
• Shahrbano Hosseini
• Ali Shokuhi Rad
• Richard A Venditti

抄録

ナノフィブリル化セルロース(CNF)をアクリル酸(AA)とアクリルアミド(AM)とN,N-メチレンビスアクリルアミド(MBA)を架橋剤として共重合反応させて合成したヒドロゲルについて、組成の関数としての吸収性能を測定した。CNFを4重量%添加したヒドロゲルは、水溶液と生理食塩水の両方で約250g/g、CNRを7重量%添加したヒドロゲルは約200g/gの膨潤性を示した。セルロースとモノマーの反応経路と電子物性を密度汎関数理論(DFT)計算により熱力学的及び速度論的に調べた。熱力学的研究の結果、セルロースのラジカル形成は、C6-OHとC3-OHの共有結合の切断によって起こることが明らかになった。その結果、CNFとモノマーとの反応は、AM, AA, MBAの降順で熱力学的に有利であることが示された。また、CNFとAMの反応速度論的研究から、CNFとAMの反応速度はAAの反応速度よりも速く、それぞれMBAの反応速度よりもはるかに速いことが示されました。全体的に、この研究は、高度な再生可能なバイオ製品を生産するためにナノセルロース構造の誘導体化に影響を与える重要な化学的特性のいくつかを明らかにしました。

Hydrogels synthesized by a copolymerization reaction of nano-fibrillated cellulose (CNF) with acrylic acid (AA) and acrylamide (AM) and N,N-methylene-bis-acrylamide (MBA) as a cross-linker and its absorption performance as a function of composition was determined. Hydrogels with 4% by weight CNF had swelling of about 250 g/g and 7% CNR about 200 g/g for both water and saline solution. Thermodynamic and kinetic studies of the reaction pathways and the electronic properties of the cellulose and monomers were investigated through density functional theory (DFT) calculations. Thermodynamic investigations revealed that the radical formation of cellulose that initiates the hydrogel process can occur though the breaking of the homolytic covalent bonds C6-OH and C3-OH. The results show that the reaction of CNF with monomers is thermodynamically favorable in the decreasing order of AM, AA, and MBA. The kinetic study also indicates that the reaction kinetics of CNF with AM is faster than with AA which is much faster than with MBA, respectively. Overall, this study has elucidated some of the key chemical characteristics that impact the derivatization of nanocellulose structures to produce advanced renewable bioproducts.