Mercerisering av cellulose, en prosess der cellulosefibrene behandles med en konsentrert løsning av natriumhydroksid (NaOH), har en betydelig innvirkning på fiberens struktur og reaktivitet. NaOH er i stand til å trenge gjennom cellulosenes krystallitter, noe som fører til en tap av krystallinitet og en transformasjon fra cellulose I til cellulose II. Denne endringen i strukturen øker cellulosenes totale reaktivitet på to måter. For det første fremmer den svellingen av fibrene, noe som øker hastigheten på diffusjonen av eterifiseringsreagenser gjennom celluloses supramolekylære struktur. For det andre tillater den destruksjonen av denne strukturen at elektrofile reagenser kan nå cellulosekjeder som ellers ville være utilgjengelige.

Effektive varianter av merceriseringsprosessen inkluderer NaOH/urea, NaOH/tiourea og jern(III)-tartrat-natriumkomplekser, som kan føre til delvis eller total oppløsning av fibrene. Etter behandling blir det tilsynelatende oppløste polymeret regenerert som blandinger av amorf cellulose og cellulose II-krystallitter. Celluloses supramolekylære struktur kan også brytes ned mekanisk, for eksempel ved intens sliping, bankende, ballmilling eller tvilleskru-ekstrudering.

Selv om de fleste eterifiseringsprosesser for cellulose foregår i svært alkalisk medium, med pH-verdier mellom 12,7 og 13,8, kan slike betingelser føre til uønskede bivirkninger. Epoksyer blir til inaktive dioler, haloalkaner blir omdannet til alkoholer, og kloroacetat omdannes til glykolat. I tillegg, på de vanlige temperaturene for eterifisering (40-70°C), kan cellulose gjennomgå depolymerisering som et resultat av alkalisk hydrolyse. For å unngå disse problemene benytter man ofte aprotiske løsemidler som dimetylacetamid/LiCl-systemet eller dype eutektiske løsemidler som aminoguanidinhydroklorid/glyserol. Slike systemer gjør det mulig å oppnå høye gradene av substitusjon uten å måtte bruke et stort overskudd av elektrofile reagenser.

I industrien produseres celluloseeter vanligvis i alkaliske vannslurrier, da disse prosessene er mer teknisk, økonomisk og miljømessig bærekraftige. Dette betyr at til tross for fordelene med aprotiske og dype eutektiske løsemidler, blir de sjelden brukt i storskala produksjon.

Når det gjelder oksidasjon, er prosessen med å oksidere hydroksylgruppene på cellulose et grunnleggende reaksjonstema i organisk kjemi. For oksidasjon til karboksylgrupper, spesielt ved produksjon av karboksymetylcellulose (CMC), kreves det ikke nødvendigvis en deprotonering eller en dekrystallisering av cellulose. Oksiderte cellulosederivater, også kjent som oxycellulose, har flere medisinske applikasjoner, inkludert som enterosorbenter, mucoadhesive midler og hemostatiske midler. Oksidasjon kan også være et viktig steg i produksjon av nanocellulose, som er en form for cellulose med nanometerstørrelse.

Selv om flere oksidasjonsmidler kan trekke elektroner fra hydroksylgruppene, er en utfordring at de glycosidiske bindingene også er utsatt for hydrolytisk nedbrytning, spesielt etter at nærliggende hydroksylgrupper er oksidert. Vanlige oksidasjonsmidler som kromsyre, periodat, natriumhypokloritt og kaliumpermanganat gir ofte oksycellulose med alvorlig nedbrytning. Den tradisjonelle metoden med oksidasjon med NO2 er en robust prosess for å oppnå høyt innhold av karboksylgrupper med minimal nedbrytning av cellulose. Også persulfatsalter er interessante, ettersom de gir både hydrolyse og oksidasjon som kan brukes til å produsere cellulosenanokrystaller.

Det finnes flere metoder for selektiv oksidasjon, spesielt når det brukes 2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-oksyl (TEMPO) i katalytiske mengder. TEMPO kan oksidere primære alkoholer, inkludert hydroksylgruppene på C-6 posisjonen i anhydroglukoseenhetene (AGU), til aldehyder. Bruken av sekundære oksidasjonsmidler som natriumhypokloritt gir selektiv oksidasjon med høy effektivitet, og prosessen kan gjennomføres ved romtemperatur, noe som gjør den svært populær for produksjon av oksidert cellulose.

Periodatoksidasjon, som fører til dannelsen av 2,3-dialdehyd-cellulose (DAC), er en annen metode som fortsatt er relevant, spesielt for spesifikke applikasjoner som legemiddelutlevering og vevsteknologi. DAC er et nisjemateriale, men det viser lovende egenskaper innen flere teknologiske områder.

Det er viktig å merke seg at valget av oksidasjonsmetode og kjemisk behandling påvirker ikke bare celluloses fysiske og kjemiske egenskaper, men også dens anvendelse. Den strukturelle integriteten til cellulose kan være avgjørende for mange industrielle prosesser, og derfor er det nødvendig å forstå de ulike kjemiske reaksjonene som kan finne sted og hvordan de påvirker materialet på både makroskopisk og mikroskopisk nivå.

Hvordan forbedre barriereegenskapene til papir ved hjelp av komposittbelegg

Komposittbelegg som inneholder polydimetylsiloksan (PDMS) og modifiserte SiO2-partikler har vist seg å gi papiroverflater eksepsjonelle hydrofobe egenskaper, med en vinkel på 159,5° for vannkontakt (WCA), samt en imponerende holdbarhet og forbedrede barriereegenskaper. En betydelig utfordring med disse materialene er imidlertid det potensielle aggregatet av nano-SiO2-partikler, som kan hindre oppnåelsen av en jevn fordeling i belegget. Dette kan føre til uønskede egenskaper i den endelige overflaten. En annen viktig hindring er mangel på vedheft mellom nano-SiO2-partiklene og papirsubstrater, noe som gjør det vanskelig å bruke nano-SiO2 alene som et effektivt barrierebelegg.

Komposittbelegg kan også løse andre utfordringer. Et eksempel på dette er utviklingen av fleksibelt, ledende papir med superhydrofobe egenskaper, elektrotermiske effekter og flammehemmende egenskaper. Chen et al. (2017) benyttet en komposittbehandling som inkluderte hydroksyapatit nanotråder og Ketjen Black som flammehemmende og ledende materialer, mens PDMS ble brukt for å gi papirtypen de ønskede superhydrofobe egenskapene og samtidig øke papirens mekaniske styrke. Forsøkene viste at dette papiret kunne opprettholde stabil ledningsevne, selv etter 120 sekunders nedsenking i vann, med en minimal endring på bare 3,65%. Videre hadde det utmerkede elektrotermiske egenskaper, og var i stand til å varme opp til 224,25 °C på bare 10 sekunder, samt opprettholde stabil ytelse under direkte flammebehandling i hele 7 minutter.

Li et al. (2021) benyttet også komposittbelegg for å fremstille multifunksjonelle superhydrofobe materialer basert på cellulosepapir. De anvendte en metode der MXene/Polypyrrole (PPy) ble sputret på den ene siden av filterpapiret og PDMS på den andre siden, før de deponerte stearinlakk. Dette materialet viste eksepsjonell beskyttelse mot elektromagnetisk interferens (EMI) og utmerket ledningsevne. Det hadde også evnen til å omdanne hydrokinetisk energi til kontinuerlig elektrisk energi, med en toppstrøm på 0,8 nA.

En annen betydelig kategori komposittbelegg er de som inneholder antimikrobielle og antibakterielle egenskaper. Dette oppnås vanligvis ved å inkludere nanopartikler av metaller som sølv (Ag), kobber (Cu) og sink (Zn), eller metal-oksider som sinkoksid (ZnO), titanoksid (TiO2) og kobberoksid (CuO). Disse nanomaterialene har et bredt spekter av antimikrobiell aktivitet med kort kontaktid, de er lett tilgjengelige og har høy stabilitet både i bruk og under lagring. Antimikrobielle belegg på papirmaterialer har blitt stadig mer interessante, spesielt i matemballasje, der de kan hemme vekst og spredning av mikroorganismer og dermed redusere risikoen for matbårne sykdommer og infeksjoner på sykehus.

For eksempel har Sanmugam et al. (2017) foreslått et komposittbelegg basert på kitosan, ZnO og grafenoksid, som demonstrerte antimikrobielle egenskaper. Dejen et al. (2020) utviklet et ZnO/PVA nanokomposittbelegg som viste seg å være effektivt mot E. coli og S. aureus. Bruken av slike nanokompositter i matemballasje har fått økt oppmerksomhet, ettersom de kan tilby både mekaniske, lysbeskyttende og antibakterielle egenskaper.

Samtidig er det en voksende interesse for resirkulerbare belegg på papir, ettersom polymer-, metall- og silikonbaserte belegg kan forverre papirens resirkulerbarhet. Forskning på resirkulerbare belegg har derfor fokusert på biopolymerer som nanocellulose, stivelse og deres kompositter. Disse biopolymerene, som dannes naturlig i plantebaserte materialer, har en hydrofob karakter og danner tette barrierer som effektivt hindrer penetrasjon av vann- og oljedråper, samtidig som de er miljøvennlige og biokompatible.

Biopolymerer som kitosan og natrium-alginat har også vist utmerkede egenskaper som filmformer, som gjør det mulig å lage effektive barrierelag på papir. Stivelse og modifisert stivelse har vært brukt i papirproduksjon i mange år og gir et kostnadseffektivt alternativ for å forbedre barrierens egenskaper, for eksempel ved å beskytte papiret mot olje- og vanninntrengning. Ved å bruke stivelse som et belegg kan man oppnå betydelig forbedrede barriereegenskaper, spesielt når stivelsen modifiseres med forbindelser som oktensuccinsyreanhydrid for å øke motstandskraften mot olje og vann.

En av de mest lovende tilnærmingene for å forbedre papirets barriereegenskaper samtidig som man sikrer god resirkulerbarhet er derfor å bruke biopolymerer i kombinasjon med andre naturlige materialer som har miljøvennlige og biologisk nedbrytbare egenskaper. Biopolymerene er ikke bare et alternativ for å redusere miljøpåvirkningen fra plast, men de gir også betydelige fordeler i form av holdbarhet, mekaniske egenskaper og motstand mot mikrobiell vekst.

Endtext

Hvordan planlegge belysning og møblering i kjøkkenet for optimal funksjon og atmosfære
Hvordan skape smakfulle og næringsrike retter fra sesongens ingredienser
Hvordan kan ChatGPT hjelpe deg med å stille de rette spørsmålene?
Hvordan Forenkle og Utnytte Komposisjon i Tegning