Acetylasjon, reaksjoner med isocyanater og silylering er noen av de mest effektive metodene for å forbedre hydrofobiske egenskaper på papir. Disse metodene fungerer ved å modifisere cellulosefibrene på molekylært nivå, og dermed redusere deres evne til å binde seg til vannmolekyler, noe som fører til økt vannavstøtning. Dette er særlig viktig i produksjon av spesialiserte papirtyper for industrielle applikasjoner som krever vannresistens og langvarig holdbarhet.

Acetylasjon er en form for esterifisering hvor hydroksylgruppene på cellulosemolekylene blir erstattet med acetylerte grupper. Prosessen innebærer en reaksjon mellom cellulose og en blanding av eddiksyre og eddiksyreanhydrid i nærvær av en syrekatalysator. Denne behandlingen kan være både homogen og heterogen, og valget mellom de to avhenger av ønsket effekt på cellulosestrukturen. Den homogene prosessen gjør cellulose mer lettløselig, mens den heterogene prosessen påvirker kun overflaten uten å endre den indre strukturen. En videreutvikling av denne metoden har blitt presentert i nyere forskning, som for eksempel en studie som brukte superkritisk CO2 og eddiksyreanhydrid for å hydrofobere tradisjonelt koreansk papir (Hanji). Resultatene viste forbedret styrke, lavere fargeendringer og betydelig økt vannavstøtning (Shin et al., 2022).

En annen fremragende metode for å forbedre papirets hydrofobiske egenskaper involverer reaksjonen mellom cellulose og isocyanater. Cellulosefibrene, som naturlig inneholder hydroksylgrupper, kan reagere med isocyanatgrupper for å danne urethanforbindelser, som gjør overflaten mer motstandsdyktig mot vann. Det finnes flere mekanismer for denne reaksjonen: fra bruk av mono-isocyanater som inneholder hydrofobe grupper, til mer komplekse reaksjoner som involverer di-isocyanater og polyoler. Flere studier har dokumentert den effektive forbedringen av både vannavstøtning og mekanisk styrke etter slik behandling, som i tilfeller hvor filterpapir behandles med methylen diphenyl diisocyanat, noe som fører til et imponerende vannkontaktvinkel på 137°, samt forbedret antibakteriell aktivitet (Zhou et al., 2020).

Silylering er en annen metode som benytter en silisiumbasert reaksjon for å erstatte de aktive hydrogenatomene på celluloseoverflaten med silisiumatomer. Denne reaksjonen hemmer dannelsen av hydrogenbindinger mellom cellulosefibrene og vann, og gir dermed papiroverflaten hydrofobe egenskaper. Perfluoroktyltriethoksysilan er et vanlig brukt reagens for silylering, og behandlet filterpapir kan oppnå vannkontaktvinkler på opptil 146°, samtidig som det viser høy kjemisk stabilitet og god olje- og vannseparasjon (Yu et al., 2019). Bruken av silylering har også blitt utvidet til produksjon av papirststrå, der det er vist at stråene får forbedret vannavstøtning og bedre mekanisk holdbarhet (Banyi & Hassett, 2020).

Disse behandlingene bidrar til en betydelig forbedring av papirets ytelse i applikasjoner der vannmotstand og holdbarhet er avgjørende, for eksempel i filterpapir, emballasjematerialer, og spesialiserte papirtyper for bruk i miljøer med høy luftfuktighet. Samtidig er det viktig å merke seg at valg av modifikasjonsmetode også kan ha en betydelig innvirkning på materialets andre egenskaper, som styrke, kjemisk resistens og miljøpåvirkning. For eksempel kan metoder som bruker farlige kjemikalier, som isocyanater, kreve strengere kontroll og sikkerhetstiltak, mens grønnere alternativer som superkritisk CO2 eller biobaserte kjemikalier tilbyr muligheter for mer bærekraftige prosesser.

Videre er det vesentlig å forstå at hver metode har sine egne fordeler og ulemper, og at valget mellom dem bør baseres på både de spesifikke kravene til applikasjonen og de tilgjengelige ressursene. For eksempel kan en kombinasjon av flere behandlinger, som acetylasjon etterfulgt av silylering, gi et optimalt resultat for visse typer applikasjoner, da det muliggjør et bredt spekter av forbedringer i både vannmotstand og mekaniske egenskaper.

Hvordan nanocellulosebaserte hydrogel reagerer på vann og stimuli?

Hydrogeler refererer til materialer som er preget av en kolloidal eller polymernettverk som ikke er flytende, men som er gjennomtrengt av en væske. Ifølge International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) påvirkes egenskapene til et hydrogel av tre hovedfaktorer: (1) naturen til de kolloidale partiklene eller polymerene som utgjør den ikke-flytende fraksjonen, (2) interpartikulær eller intermolekylær binding som finnes i nettverket, og (3) egenskapene til væske-fasen som fyller de mellomliggende rommene i nettverket. Viktige egenskaper som påvirker samspillet med væsken inkluderer kjemisk sammensetning, overflatefunksjonelle grupper, tverrbindingstetthet, molekylvekt, krystallinitet, størrelse, geometri og topologi på partikkeloverflatene (Alemán et al., 2007). Denne teksten fokuserer på nanocellulose-hydrogeler, som defineres ved at de inneholder vann som den eneste ekspanderende væsken, og skiller dem fra organogeler.

Sammensetningen av hydrogeler består hovedsakelig av hydrofile polymerer som er tverrbundet ved fysiske og/eller kjemiske midler, noe som skaper stabile, myke materialer. Hydrering begynner med de mest polare gruppene på overflaten av det tørre hydrogelet, noe som fører til dannelsen av «primært bundet vann». Etter hvert som hydreringen utvikler seg, svulmer nettverkene opp og eksponerer mindre polare og hydrofobe grupper, som danner «sekundært bundet vann» (Hoffman, 2002). Dette resulterer i et kumulativt «totalt bundet vann», og svulming når likevekt når osmotisk trykk balanserer den elastiske tilbaketrekningen fra tverrbindingene (Deng et al., 2022). Vann som absorberes før denne likevekten, kalles «fritt vann» eller «bulk-vann».

Kinetikken til svulming og kvantitative egenskaper relatert til vanninteraksjon kan tilpasses gjennom nettverksdesign og valget av monomerer, oligomerer og polymerer. Hydrogeler kan også modifiseres til å reagere på ytre stimuli ved å rekonfigurere tverrbindene eller endre polymersegmentenes konformasjoner, noe som muliggjør endringer i form, polaritet og morfologi (Deng et al., 2022). Stimuli-responsive hydrogeler kan benytte fysiske (f.eks. temperatur, trykk) eller kjemiske triggere (f.eks. pH, metallioner), noe som gjør dem egnet for ulike applikasjoner som sensorer, kontrollert frigjøring av forbindelser (Gunathilake et al., 2020), vevsteknologi, formminne-materialer og selvhelbredende materialer (Wang et al., 2018).

Hydrogeler har blitt utviklet fra ulike syntetiske polymerer, inkludert polyakrylsyre og polyoksietylen, polyakrylamid og (metakrylsyre), polyvinylpyrrolidon, polyetylendiamin, polyamin, polyamid og polyvinylalkohol. Disse syntetiske polymerene kan imidlertid inneholde spor av skadelige ureaktive monomerer, oligomerer, tverrbindingsmidler, biprodukter eller løsemiddelrester (Deng et al., 2022). Som svar på disse bekymringene og den økende vektleggingen av en bio-basert økonomi i tråd med prinsippene for Grønn Kjemi, har det vært økende interesse for biopolymer-hydrogeler. Biopolymerer er biokompatible, nedbrytbare og godt egnet for fuktige miljøer, og de er iboende frie for skadelige ureaktive monomerer eller løsemiddelrester, avhengig av de anvendte ekstraksjons- og rensingsmetodene.

Blant de ulike biopolymerene som er egnet for hydrogel-applikasjoner, har cellulose en fremtredende posisjon på grunn av sin miljøvennlighet, tilgjengelighet og allsidighet. Som den mest utbredte biopolymeren på jorden er cellulose lett tilgjengelig og har høy renhet. Dens hydrofile natur kommer fra de mange hydroksylgruppene som er fordelt langs dens uforgreinede ryggrad (tre hydroksylgrupper per anhydroglukose-enhet, AGU) og dens supramolekylære struktur, som er avhengig av både intra- og intermolekylære hydrogenbindinger. Den naturlige «sukker»-mønsteret gir cellulose to viktige egenskaper: biokompatibilitet og nedbrytbarhet. Biokompatibilitet skyldes likheten mellom dens (1→4)-β-D-pyranoglukan-struktur og glykoproteiner og polysakkarider (glukosaminoglykaner) som finnes i den ekstracellulære matriksen i levende vev. Nedbrytbarhet skyldes primært dens polare overflate, som støtter biofilm-dannelse og lar enzymer hydrolysere β-(1→4)-glykosidbindinger. Denne prosessen kan forbedres gjennom radikal depolymerisering, et fenomen som observeres under aerob nedbrytning av lignocellulosis biomasse i jord, med hjelp av for eksempel sopp-enzymer (Datta, 2024).

Komparative nedbrytbarhetsstudier av ulike ikke-derivatiserte og derivatiserte celluloseprodukter har bekreftet at naturlig cellulose, inkludert bakteriell cellulose (Ruka et al., 2015), nanokrystallinsk cellulose (Bading et al., 2024), og cellulosefibriller (Vikman et al., 2015), er lett nedbrytbare, vurdert etter EN 13432 og OEC 1992-standarder. Basert på disse grunnleggende egenskapene og evnen til å modifisere cellulose gjennom mekaniske, fysiske og kjemiske midler, har nanocellulose-hydrogeler funnet et bredt spekter av anvendelser i de siste tiårene. Disse egenskapene, kombinert med evnen til å modifisere cellulose, har ført til anvendelser på tvers av ulike sektorer, inkludert biomedisin, næringsmiddelindustrien, miljøbeskyttelse og fleksibel elektronikk (Tang et al., 2024).

Nanocellulose betegner en klasse materialer som har en dimensjon som ikke overstiger 100 nm i minst én romlig retning. Til tross for variasjoner i aspektforhold, morfologi, krystallinitet, celluloseallomorfer, supramolekylær ordening og overflateladning, kan disse forskjellene utnyttes for å utvikle både enkle og komplekse (kompositt) nanocellulose-hydrogeler skreddersydd for spesifikke applikasjoner.

Flere metoder er etablert for å få de nødvendige nanocellulose-byggesteinene for hydrogelproduksjon. Det er viktig å merke seg at nanocellulose-materialer vanligvis klassifiseres i to kategorier: nanostrukturerte materialer og nanocellulose-materialer (Trache et al., 2020). Selv om denne klassifikasjonen er vitenskapelig korrekt, kan den føre til forvirring blant produsenter og kunder. Generelt produseres nanostrukturerte materialer fra ikke-nanoskala utgangsmaterialer (f.eks. cellulose fra cellulosemasse, mikrokrystallinsk cellulose), men viser nanoskalasubstrukturer i det endelige produktet. I motsetning til dette er nanocellulose-materialer laget av fibrillære nanocellulose-byggesteiner med varierende aspektforhold og krystallinitet, inkludert cellulose-nanokrystaller (CNC), cellulose-nanofibriller (CNF), bakteriell nanocellulose (BNC) og cellulose-nanosfærer (CNS).

Endtext

Hvordan sammensmeltningen av moralske synspunkter i sosiale nettverk påvirker protestvold
Hvordan GFRP Elastiske Gridshell-strukturer kan Revolusjonere Byggebransjen
Hvordan kombinert støy og harmoniske eksitasjoner påvirker systemer med én frihetsgrad
Hva skjuler seg bak Buck Cardews hevn?
Hvordan Estimere Ankomstvinkel (AoA) i Akustiske Systemer