Poděkování
Ráda bych poděkovala především Ing. Janě Šaškové, Ph.D. za odborné vedení, bezmeznou pomoc, poskytnutí informací, za věnovaný čas i za trpělivost. Rovněž bych ráda poděkovala prof. Ing. Jakubovi Wienerovi, Ph.D. za veškerou pomoc, ochotu a podnětné připomínky. Dále bych ráda poděkovala Ing. Janě Salačové, Ph.D. za poskytnuté informace a umožnění zhotovení optické mikroskopie. Také bych ráda poděkovala Ing. Janě Grabmüllerové za vyhotovení snímků nanocelulózy pomocí elektronové mikroskopie.
Mé poděkování patří i Ing. Janě Reslové za pomoc, rady a nezištnou podporu. V poslední řadě bych ráda poděkovala kolegyním Tereze Carvové, Kateřině Němcové, Janě Vimmerové a taktéž Bc. Petře Šimonové za pomoc i podporu při vypracovávání mé bakalářské práce.
ANOTACE
Záměrem této bakalářské práce je optimalizovat podmínky přípravy nanocelulózy z různých prekurzorů vzhledem k jejich výtěžnosti. V teoretické části práce je popsána celulóza a její vlastnosti. Dále jsou analyzovány vlastnosti celulózových nanovláken, nanokrystalů a bakteriální nanocelulózy. Následně jsou uvedeny nejčastější metody purifikace celulózových materiálů a nejběžnější postupy přípravy nanocelulózových částic. Jsou popsány aplikace nanocelulózy v různých oblastech praxe. V experimentální části práce jsou připraveny, hodnoceny a diskutovány vzorky a jejich vlastnosti vyhotoveny celkem ze šesti prekurzorů (celofán, lyocellové vlákno, bavlněné vlákno, bavlněná tkanina, viskózová střiž a viskózová tkanina). V závěrečné části jsou uvedena doporučení pro možné uplatnění použité metodiky v praxi.
KLÍČOVÁ SLOVA
• nanocelulóza
• příprava nanocelulózy
• celulóza
• kyselá hydrolýza
• výtěžnost
• optimalizace
• celofán
• lyocell
• bavlna
• viskóza
ANNOTATION
The main aim of this thesis is to optimize conditions when preparing the nanocellulose from various precursors in order to define its yield. The theoretical part of this thesis is focused on cellulose and its properties. There are analyzed main differences between cellulose nanofibers, cellulose nanocrystals and bacterial nanocellulose. Then, there are described principal methods of purification of cellulose materials in general and also the main procedures of nanocellulose preparation. There are applications of nanocellulose in diverse fields given. In the experimental part of this thesis, there are prepared, evaluated and discussed all the samples in relation to its properties, which were made from six different precursors (cellophane, lyocell fiber, cotton fiber, cotton fabric, viscose staple and viscose fabric). In the final part of this thesis, there are suggestions given for the use of the method in practice.
KEY WORDS
• nanocellulose
• nanocellulose preparation
• cellulose
• acid hydrolysis
• yield
• optimization
• cellophane
• lyocell
• cotton
• viscose
8
Obsah
1 Celulóza ... 13
1.1 Celulózová vlákna a zdroje celulózy ... 13
1.2 Chemické a fyzikální vlastnosti celulózy ... 14
2 Nanocelulóza ... 19
2.1 Celulózová nanovlákna, nanokrystaly a jejich vlastnosti ... 19
2.2 Bakteriální nanocelulóza a její vlastnosti ... 21
3 Postupy čištění celulózy a příprava nanocelulózových částic ... 23
3.1 Proces delignifikace ... 24
3.2 Proces bělení ... 26
3.3 Metody extrakce nanocelulózy ... 27
3.3.1 Mechanické metody ... 27
3.3.2 Fyzikální metody ... 28
3.3.3 Chemické metody ... 29
3.3.4 Biologické metody – enzymatická hydrolýza ... 33
4 Použití a aplikace nanocelulózy ... 34
4.1 Biomedicínské aplikace ... 34
4.2 Antimikrobiální aplikace ... 34
4.3 Bionanokompozitní aplikace ... 35
4.4 Nanocelulózové aerogely ... 36
4.5 Ostatní aplikace ... 37
5 Přípravné práce ... 39
6 Stanovení nejoptimálnější metody pro optimalizační proces ... 41
7 Membránová purifikace nanocelulózy založená na osmóze ... 44
7.1 Charakterizace vstupních surovin ... 44
7.2 Příprava vzorků ... 44
7.3 Sonikace vzorků ... 46
9
7.4 Stanovení sušiny a výtěžnosti vzorků ... 47
7.5 Obrazová analýza vzorků ... 48
8 Výsledné nanocelulózové vzorky připravené z jednotlivých prekurzorů ... 49
8.1 Celofán ... 50
8.2 Lyocellové vlákno ... 52
8.3 Vlákno bavlny ... 54
8.4 Bavlněná tkanina ... 56
8.5 Viskózová střiž ... 58
8.6 Viskózová tkanina ... 60
9 Odhad PPS glukózy a vybraných nanocelulózových vzorků, diskuze ... 62
9.1 Příprava slepého vzorku ... 63
9.2 Odhad PPS glukózy... 64
9.3 Odhad PPS vybraných nanocelulózových vzorků ... 65
10 Výsledky a diskuze ... 68
Závěr ... 70
Seznam použité literatury ... 71
Seznam obrázků a tabulek ... 74
Seznam příloh ... 76
10
Seznam použitých zkratek, značek a symbolů
ACNC nanocelulóza konjugovaná s alicinem AMIMCl alyl-3-methylimidazolium chlorid AOX halogenované organické sloučeniny BMIMCl butyl-3-methylimidazolium chlorid BNC bakteriální nanocelulóza
cm centimetr
CO bavlna
ČCu číslo mědi
DMF dimethylformamid DMSO dimethylsulfoxid
dtex decitex
g gram
gcm-3 gram na centimetr krychlový gm-2 gram na metr čtverečný gmol-1 gram na mol
GPa gigapascal
hod hodina
Iα a Iβ alomorfní stavy celulózy typu I
kHz kilohertz
ks kus
l, ml litr, mililitr
LCNC nanocelulóza konjugovaná s lysozymem LOI limitní kyslíkový index/číslo
M mol na decimetr krychlový M1-6 materiály 1-6
11
MHz megahertz
min minuta
mlmin-1 mililitr za minutu
mm milimetr
MPa megapascal
nm nanometr
NMMO N-methylmorfolin-N-oxid
pH vodíkový exponent
PPS průměrný polymerační stupeň
s sekunda
TBAF tetrabutylammonium fluorid TBAH tetrabutylammonium hydroxid TFA kyselina trifluoroctová
TRITON B trimethylbenzylammonium hydroxid UV ultrafialové
VS viskóza
W watt
β beta
μm mikrometr
µmpx-1 mikrometr na pixel
% procento
°C stupeň Celsia
12
Úvod
Nanocelulóza je poměrně levným novodobým materiálem s vysokým potenciálem použití. Lze ji připravit z nepřeberného množství přírodních celulózových zdrojů, ať už se jedná o přípravu ze dřeva borovice či z konopí, nebo i z banánových, rýžových či kokosových slupek a jiných, jinak nezpracovatelných, zbytků. Zároveň se jedná o suroviny, které jsou v podstatě neomezeně dostupné.
Cílem této bakalářské práce je optimalizovat podmínky přípravy nanocelulózových částic připravených z různých prekurzorů vzhledem k jejich výtěžnosti pomocí inovační metody přípravy. Touto inovační metodou je purifikace celulózy přes membránu založená na bázi osmózy, díky které dochází k poměrně rychlé neutralizaci nanocelulózy ve vodě.
V rámci teoretické části této bakalářské práce bude nejprve v první části podrobně popsána struktura celulózy, její zdroje i chemické a fyzikální vlastnosti. V další kapitole bude definován rozdíl mezi celulózovými nanovlákny, nanokrystaly a bakteriální nanocelulózou. Ve třetí kapitole budou uvedeny jednotlivé postupy čištění celulózy za použití mechanických, fyzikálních i chemických metod. Poslední, čtvrtá, kapitola teoretické části bude věnována použití a nejrozmanitějším aplikacím nanocelulózy v praxi.
Experimentální část této bakalářské práce bude zaměřena na přípravu vzorků nanocelulózy ze šesti různých prekurzorů, a to v deseti různých časově dlouhých úsecích působení kyselé hydrolýzy. Vzorky budou podrobeny působení ultrazvuku, aby došlo ke zmenšení velikosti vzniklých částic. Bude určena výtěžnost těchto vzorků z jejich sušiny a výsledky budou graficky zpracovány. Budou analyzovány, hodnoceny a diskutovány vlastnosti připravených vzorků vzhledem k jejich výtěžnosti, barvě, sedimentaci; schopnosti vytvořit gel, který je zároveň stabilní v čase atd. Bude provedena obrazová analýza pomocí optické i elektronové mikroskopie. Také bude uveden dílčí experiment, kdy byl u vybraných nanocelulózových vzorků odhadován průměrný polymerační stupeň z metodiky stanovení čísla mědi celulózy.
13
1 Celulóza
Celulóza je nejhojnějším biopolymerem na zemi, je všudypřítomná, má specifickou strukturu a vlastnosti. [1] Je plně kompostovatelná a biokompatibilní. [2], [3] Prvně byl termín celulóza použit v roce 1838 Anselmem Payenem. Jedná se o vlákenný materiál, ve vodě nerozpustný.
Funkcí celulózy v přírodě je zajistit mechanické vlastnosti vyšším rostlinným buňkám. [1]
Nachází se především v buněčných stěnách rostlin (název odvozen od latinského cellula čili buňka [4]), zejména ve stoncích, v lodyhách, v kmenech a v dřevnatých částech rostlinných tkání. Přírodní vlákna mají vícerozměrná uspořádání, skládají se z několika buněk formovaných ze semikrystalicky orientované celulózy, které jsou vázány s ligninem, hemicelulózami a v některých případech i s pektinem. [1] Procentuální zastoupení celulózy ve tkáních rostlin je velmi rozdílné – sláma obsahuje cca 15 %, nejrůznější dřeviny cca 45-52 %, čistá bavlněná vlákna mohou obsahovat i více než 99 % celulózy. [4]
Celulóza jako materiál je z naturálního hlediska základním stavebním kamenem rostlin a stromů. Člověkem může být celulóza použita k výrobě oděvů, plachet, lan aj. Dalším zpracováním může být vyroben celofán nebo umělé hedvábí (tzv. rayon). Nejvíce celulózy je spotřebováno v papírenském průmyslu, pouze 2 % veškeré celulózy jsou použita na výrobu vláken, filmů z regenerované celulózy, na syntézu celulózových esterů atd. Celulóza a obecně sacharidy mají určité výhody jako např. nízká cena, nízká hmotnost, obnovitelný charakter, vysoce specifická pevnost a modul, dostupnost v různých formách po celém světě. [1]
1.1 Celulózová vlákna a zdroje celulózy
Vlastnosti přírodních vláken jsou ovlivněny mnoha faktory, zejména chemickým složením a výskytem v rostlině. Mezi další faktory ovlivňující jejich vlastnosti je řazena zralost, oddělovací proces, mikroskopické a molekulární defekty jako např. kolínka v některých rostlinách, dále typ zeminy a přírodní podmínky, za kterých rostliny vyrůstaly. [1] Rostlinná vlákna – vlákna celulózová jsou členěna do dvou základních skupin: přírodní a chemická.
Přírodní celulózová vlákna lze dále dělit dle jejich původu:
• vlákna ze semen (např. bavlna, kapok, kokosová vlákna aj.)
• vlákna z lodyh/stonků (např. len, konopí, juta, ramie, bambus, kenaf aj.)
• vlákna z listů (např. sisal, aloe, agáve, manilské konopí aj.) [2], [4]
14
Chemická celulózová vlákna lze dále rozdělit na vlákna z regenerované celulózy (např. viskózová či vlákna lyocellu) a na vlákna z esterů celulózy (např. acetátová vlákna). [4]
Často používanými rostlinnými vlákny jsou bavlna, juta, konopí, len, ramie, sisal, kokos, henequen a kapok. Vlákna lýková a z listů (tvrdá vlákna) jsou nejčastěji používána v kompozitních aplikacích. [5] Obecně síla vláken roste se zvyšujícím se obsahem celulózy.
Buněčná stěna obsahuje nanodimenziální struktury sestávající se z více elementárních shluků nanovláken. Ve vnější porézní buněčné stěně se vyskytují téměř výhradně necelulózové složky, tj. lignin, hemicelulóza, pektiny aj. (kromě proteinů, anorganických solí a barviv). Vnější buněčná stěna je také příčinou špatné nasákavosti a smáčivosti i dalších nežádoucích textilních vlastností. [1]
Z obecnějšího hlediska jsou zdrojem celulózy z nižších rostlin např. mořské řasy, z vyšších rostlin keře a stromy. Mezi další organismy, které jsou přirozeným zdrojem celulózy, jsou řazeny bakterie, houby i někteří živočichové, např. améby (měňavky), nebo mořští pláštěnci (Tunicata), jejichž pláštěm je produkován tzv. tunicin, který má ochrannou funkci. Veškerými uvedenými živými organismy je celulóza produkována každý den – ročně vzniká cirka 1,5.1012 tun. [1]
Z detailnějšího hlediska existuje velmi mnoho dalších surovin pro celulózové materiály.
Dominantní surovinou je dřevo. Dřevěným zdrojem může konkrétně být např. borovice, akácie či eukalyptus. [6] Mezi další suroviny pro celulózové materiály jsou např. řazeny: linters (krátká bavlněná nespřadatelná vlákna) [7], kukuřičné klasy, rýžové slupky, kokosové slupky, pšeničné slupky, banánové slupky [8], bramborové hlízy, zbytky dužiny cukrové třtiny, slupky durianu, kůra mangostanu, listy agáve [9], kůra moruše [10], konopí, bavlna, bambus, jehličí z borovice, jutová vlákna [7], rýžová či pšeničná stébla [6]. Zpracovaným zdrojem může být i papírový odpad. [9] Kromě dominantního dřeva a použití vodních rostlin, trav, zemědělských zbytků apod. mohou být jako zdroj celulózy použity i bakteriální kultury. Obvykle jsou používány dva druhy bakterií: Acetobacter xylinum, Gluconabacter xylinum. [3], [5].
1.2 Chemické a fyzikální vlastnosti celulózy
Sacharidy tvoří nejpočetnější skupinu organických látek na zemi. Dle počtu jednotek v molekule lze sacharidy rozdělit do tří skupin, tj.: monosacharidy, disacharidy a polysacharidy. Celulóza je polysacharidem, pro nějž je typické složení z více než deseti monosacharidových jednotek, navzájem spojených tzv. β-1,4-glykosidickou vazbou. [1]
15
Glykosidická vazba se nachází právě mezi dvěma monosacharidy. Glukóza je schopna vytvořit přímo molekulu či pár odlišných izomerických kruhů – alfa a beta glukózu. Molekuly alfa glukózy vytváří škrob, kdežto spojení beta glukózových molekul vytváří celulózu. [11] Sumární neboli molekulový vzorec celulózy je (C6H10O5)n, přičemž totožný vzorec má rovněž z polysacharidů např. škrob nebo glykogen. Elementárně je celulóza složena ze 44,44 % uhlíku, 6,17 % vodíku a 49,39 % kyslíku. [4]
Struktura celulózy byla přesně stanovena Staudingerem v roce 1926. [5] Chemickou strukturu celulózy lze spatřit na Obrázku 1 níže. Je tvořena lineárním řetězcem sestávajícím se z jednotlivých β-1,4-D-glukopyranóz, což jsou sloučeniny odvozené od heterocyklického pyranu. [1], [2], [4] C-O-C vazebný úhel mezi dvěma β-D-glukopyranózovými kruhy je cca 116°. [1] Přilehlé monomerní jednotky jsou uspořádány tak, že glykosidické kyslíky se tyčí v opačném směru a opakující se jednotka polymerního řetězce celulózy je složena ze dvou β- D-glukopyranózových kruhů. Tyto dva kruhy vzájemně rotují a tvoří tzv. jednotku celobiózy.
Jednotlivé jednotky celobiózy jsou spojeny kovalentně a formují tak prodloužený, ve vodě nerozpustný, přímý řetězec lineárních kopolymerů. [1] Délka řetězců polymeru se liší nejen v závislosti na zdroji celulózy, ale i na dané části rostliny. Počet (n), kolikrát se celobióza opakuje ve struktuře, je vyjádřen tzv. stupněm polymerizace. [5] Průměrný polymerační stupeň (PPS) čili počet glukopyranózových jednotek je max. 20 000, ve dřevě se jedná cca o 10 000 jednotek a např. v bavlně dosahuje počet jednotek cca 15 000. Stupeň polymerizace přirozené celulózy záleží na jejím původu, ačkoli je biosyntetický mechanismus stejný ve všech organismech. [1]
Obrázek 1 Chemická struktura celulózy [5]
Oba konce řetězce jsou chemicky rozdílné. Jeden konec řetězce má D-glukopyranózovou jednotku, ve které je anomerní atom uhlíku součástí glykosidické vazby a má volný sekundární alkohol na C4 atomu, tzv. neredukující konec. Druhý konec obsahuje D-glukopyranózovou jednotku, ve které je anomerní atom uhlíku volný. Tento konec řetězce je také nazýván
16
redukční, jelikož má např. schopnost redukovat Cu2+ ionty na Cu+ ionty ve Fehlingově činidle, což udává celulóze určitou chemickou polaritu. [1] Další důležitou charakteristikou v celulóze je počet volných hydroxylových skupin. Jedna jednotka D-glukopyranózy obsahuje tři hydroxylové skupiny. [5] Díky těmto hydroxylovým skupinám může být celulóza chemicky řazena i mezi polyalkoholy. [2] Hydroxylová skupina na C6 atomu je primárním alkoholem, hydroxylové skupiny na C2 a C3 atomech jsou sekundárními alkoholy. Bylo odhadnuto, že OH skupina na C6 atomu reaguje 10 x rychleji než ostatní skupiny, a reakce OH skupiny na C2 atomu je dvojnásobná oproti reakci na C3 atomu. [5]
Z přítomnosti velkého počtu hydroxylových skupin vyplývá vytvoření sítě intramolekulárních a intermolekulárních vodíkových vazeb čili vodíkových můstků, což je viditelné na Obrázku 2 níže. Mezi jednotlivými řetězci se též nachází síť Van der Waalsových sil. Právě spojení vodíkových můstků a Van der Waalsových sil v celulóze umožňuje vznik uspořádané krystalické struktury. [1] Je odhadováno, že kromě krystalické a amorfní struktury ještě existují v celulóze přechodné zóny, tzv. parakrystalické. [5] Hydroxylové skupiny upevňují meziřetězcové vodíkové vazby a přispívají ke stabilizaci řetězce, která následně vede k typické lineárně uspořádané židličkové konformaci. [5]
Obrázek 2 Intramolekulární (modrá) a intermolekulární (červená) vodíkové vazby v celulózové struktuře [10]
Molekulární uspořádání celulózových řetězců vzájemně rovnoběžných je základem krystalové struktury zvané mikrofibrily. Každá mikrofibrila je složena ze skupin paralelně spojených řetězců celulózových molekul nazývaných elementární fibrily/vlákna. Tyto elementární fibrily obsahují krystalické i amorfní části celulózy. [1] Krystalické oblasti nanocelulózy udávají struktuře sílu a tuhost, kdežto amorfními oblastmi je zajištěna pružnost/ohebnost buněčné stěny. [12] Celulóza zahrnuje ve dřevě cca 40-50 % jeho hmotnosti, přičemž polovina z toho je ve formě nanokrystalů a polovina je amorfní struktury. [1] Hierarchická struktura celulózy je následná: celulózové řetězce jsou základem mikrofibril, mikrofibrily se sdružují do fibril, které
17
tvoří základ celulózového materiálu. Mikrofibrilární struktura celulózy byla stanovena z elektronové mikroskopie. Pro popis uspořádání řetězců uvnitř mikrofibril bylo navrženo několik modelů. Tyto modely lze rozdělit do dvou kategorií, tj. modely s nataženými řetězci a modely se složenými řetězci. Existuje mnoho různých modelů fibrilární struktury celulózy.
Všeobecně nejvíce používaným modelem je tzv. Fengelův model (r. 1971), na kterém je vyobrazeno ultrastrukturální uspořádání buněčné stěny ve dřevě. Zahrnuje několik vrstev hemicelulózových molekul mezi fibrilami (rozměrově 12 nm) a monomolekulární vrstvu hemicelulózy mezi elementárními vlákny, přičemž lignin obklopuje celkový mikrofibrilární systém. Hemicelulóza je silnější ve vazbě s ligninem díky kovalentním vazbám. Fengelův model je relativně komplexní, ale není v něm plně obsažena složitost celulózových mikrofibril obsahujících krystalické i amorfní části. [1] Fengelův model je vyobrazen na Obrázku 3 níže.
Obrázek 3 Fengelův model mikrofibrilární struktury celulózy [1]
Mikrofibrily jsou typicky složeny z 30-100 celulózových molekul rozšířených v řetězec, zajišťující mechanickou odolnost vlákna. [1] Mikrofibrily mají různé šířky, délky, tvary i krystalinitu. Tyto vlastnosti se mohou lišit v závislosti na původu celulózy. Je však dáno, že mikrofibrily jsou vždy znatelně delší než širší. Mikrofibrily nebo jejich svazky mají v průměru 10-100 nm, jejich délka může dosahovat několika μm. [5] Šířka svazků mikrofibril se může lišit od 2-3 nm (buněčné stěny primárních tkání některých rostlin) do 60 nm (některé řasy).
Rozlišují se též individuální – jednotlivá vlákna, nebo shluky vláken – agregáty. [5]
Morfologicky jsou rozlišeny i příčné řezy mikrofibril – mohou být čtvercové, kosočtvercové či jinak zkosené. Přesné uspořádání krystalitů v mikrofibrile není ještě zcela objasněno. [1]
Morfologické studie celulózových mikrofibril z různých zdrojů prokázaly, že celulózové syntázy jsou seřazeny do uspořádaných shluků a jejich geometrie i velikost závisí právě na zdroji. Rostlinné celulózové syntázy tvoří hexagonální vzor, tzv. rozetu, a mohou produkovat elementární fibrily o průměru 3,5 nm. [5] Pokud jsou buněčné stěny podrobeny dostatečně
18
silnému mechanickému působení, původní vlákenná struktura je zničena a mikrofibrily nebo jejich svazky mohou být extrahovány, což je blíže popsáno v kapitole 3.
Polymorfie je schopnost krystalizace v několika modifikacích. Polymorfismus je nejvíce typický pro krystaly organických sloučenin, jejichž molekuly jsou složeny ze skupin schopných tvorby vodíkových můstků. Díky různému vzájemnému uspořádání glukopyranózových kruhů a možnosti konformačních změn hydroxymethylových skupin, mohou celulózové řetězce vykazovat různé krystalické modifikace. [1] Existuje celkem šest alomorfních typů celulózy:
celulóza I, II, IIII, IIIII, IVI, IVII. Každý typ je charakterizován odlišnou orientací řetězců a jednotlivých buněk. Veškerá přirozená celulóza (typ I) je složena ze dvou alomorfů, tj. Iα a Iβ, jejichž poměr se mění v závislosti na celulózovém zdroji. Ve vyšších rostlinách (bavlna, ramie) a ve dřevinách převládá fáze Iβ, u pláštěnců se jedná téměř o čistou fázi Iβ. V bakteriích či řasách je ve znatelně větším poměru Iα. [5] Zatímco Iα inklinuje v trojklonné krystalické soustavě, Iβ existuje v jednoklonné krystalické soustavě. [12]
Mechanické vlastnosti celulózy mohou být charakteristickými vlastnostmi v krystalických (uspořádaných) částech molekul i v amorfních (neuspořádaných) částech molekul. Řetězce molekul v amorfních oblastech přispívají k flexibilitě a plasticitě materiálu, kdežto řetězce v krystalických oblastech vedou k tuhosti a elasticitě materiálu. Youngův modul základního celulózového krystalu je potenciálně vyšší než ocel a je podobný kevlarovým vláknům. [1]
Mondal udává, že Youngův modul celulózových vláken může dosahovat až hodnoty 138 GPa. [5]
19
2 Nanocelulóza
Termín „nano“ je používán k označení materiálů v měřítku nanometrů (10-9 metrů).
Nanorozměr zahrnuje velikost vyšší než několik atomů, ale nižší než vlnovou délku viditelného světla. Nanocelulóza je termín pro celulózu s nanostrukturou, přičemž alespoň jeden její rozměr je pod hodnotou 100 nm. [5], [11] Celulóza není jediným polysacharidem, který může být použit k tvorbě nanočástic – může být použit např. i škrob nebo chitin, které rovněž poskytují vznik vysoce krystalických nanočástic s různou morfologií i dalšími rozdílnými vlastnostmi. [1]
Jsou rozlišovány celkem tři základní typy nanocelulózy:
1) celulózové nanofibrily, mikrofibrily 2) celulózové nanokrystaly, whiskers 3) bakteriální nanocelulóza. [5]
Celulózové nanofibrily neboli nanovlákna jsou ve formě dlouhých vláknitých shluků, kdežto celulózové nanokrystaly jsou ve formě shluků krátkých a neohebných. Bakteriální nanocelulóza se může vyskytovat ve formě nanovláken i nanokrystalů. [5] Chemickým složením jsou si všechny tyto typy podobné, nicméně liší se morfologií, velikostí částic, krystalinitou a dalšími vlastnostmi záležejícími na rozdílnosti původních zdrojů celulózy a na použitých extrakčních metodách. [10] Největší výzvou ve studiu nanocelulózy je právě efektivní příprava a izolace z celulózových materiálů různého původu. [5]
2.1 Celulózová nanovlákna, nanokrystaly a jejich vlastnosti
Nanovlákna a nanokrystaly se liší mechanickými, chemickými, reologickými i fyzikálními vlastnostmi. Jedním z největších rozdílů je jejich index krystalinity. Index krystalinity u nanovláken může být v rozmezí 40-90 %, u nanokrystalů i přes 80 %. Nanocelulóza má vysoký poměr povrchu k objemu, schopnost krystalizace a je vysoce biodegradabilní. Je stabilní vůči proteolytickým enzymům, kyselinám, teplotám. [5] Nanocelulózové materiály mají vysoký poměr povrchu k objemu [12] a nízkou hustotu (cca 1,6 gcm-3). [10]
Nanovlákna z vláken primární buněčné stěny jsou delší a tenčí než vlákna ze sekundární buněčné stěny. [5] Obvykle je průměr celulózových nanovláken uváděn v rozmezí 2-100 nm, v závislosti na zdroji. [11] Nanovlákenná celulóza je v porovnání s nanokrystalickou celulózou delší a má vyšší poměr stran (délka k průměru) i vyšší povrch. [10] Celulózové nanokrystaly
20
jsou typické svojí ostrou strukturou. [5] Nanokrystaly mají v průměru 5-30 nm, délka se liší v závislosti na zdroji – 100-500 nm pro rostlinnou celulózu, 100 nm – až několik mikrometrů pro celulózu z pláštěnců či řas. [13] Poměr délky a průměru je u těchto dvou struktur také rozdílný – u nanokrystalů je tento poměr pod hodnotu 50, u nanovláken přes hodnotu 100.
Pravděpodobně největším morfologickým rozdílem je vznik specifických tvarů u nanokrystalů při kyselých úpravách. Ze samotné kyseliny sírové lze zformovat tzv. whiskery, kde může být viditelné mírné zakroucení doprava, což je pravděpodobně důsledkem chirálních interakcí uvnitř řetězců v krystalu. Whiskery lze najít v nejvíce krystalických částech nanocelulózy. Na rozdíl od nanokrystalů, nanovlákna vykazují střídání amorfních a krystalických oblastí, což umožňuje vznik spletené sítě, která může být v makroskopickém měřítku vnímána jako gel. [5]
Celulózové suspenze s nanočásticemi prokazují speciální reologické vlastnosti. [1] Právě reologie nanocelulózových gelů je jedna z klíčových charakteristik, která umožňuje nanovláknům aplikaci např. v potravinářském průmyslu. [3]
Mechanické vlastnosti jsou ovlivněny především morfologií materiálu a zdrojem nanocelulózy.
Nanokrystaly jsou známy pro svou tuhost a vysoký Youngův modul, který je odhadován kolem hodnoty 138 GPa. Youngův modul u nanovláken je znatelně nižší a dosahuje hodnot cca 30- 40 GPa. Mechanické vlastnosti jsou obvykle hodnoceny testováním filmů a jsou též ovlivněny délkami řetězců nanocelulózy, na což existuje několik průkazných metod. Mezi tyto metody patří např. viskozimetrická metoda nebo metoda vylučovací chromatografie. Viskozimetrickou metodou lze změřit změny vnitřní viskozity polymeru, tj. viskozitu polymerického roztoku za podmínek nekonečného ředění. Průměrný polymerační stupeň (PPS) má významný vliv na mechanické chování polymerů – pevnost v tahu se zvyšuje se zvyšujícím se polymeračním stupněm. Ve studiích bylo upozorněno, že při PPS menších než 2500 dojde k rozpadu struktury úbytkem řetězců, kdežto při vyšších PPS k tomu dochází díky porušení kovalentní vazby. Je tedy důležité tento parametr sledovat a kontrolovat během procesu izolace nanocelulózy. [5]
Nejvýznačnější vlastností nanocelulózy je však její schopnost vytvářet gel. Chirální vláknitá uspořádaná struktura nanokrystalů je utvořena díky povrchovým interakcím nanokrystalů.
Záleží tedy na koncentraci a na povrchové chemii částic, taktéž na iontové síle rozpouštědla.
Tekuté krystalické struktury jsou formovány elektrostatickým odpuzováním mezi nabitými nanokrystaly, což snižuje jejich flokulaci (srážení). [5] Z důvodu shlukování a možnému spletení nanovláken je doporučováno uchování ve vodné (polární) suspenzi, a to po jakékoliv mechanické či chemické úpravě. [11]
21
Tepelné vlastnosti nanocelulózy silně závisí na chemii jejího povrchu – např. sulfátované nanokrystaly vykazují nižší tepelnou stabilitu než neutrální nanokrystaly. Jedním z mechanismů vysvětlující sníženou stabilitu je dehydratace celulózy sulfátovými skupinami, produkující velké množství vody, a dále i kyselina sírová, která kromě odstranění některých hydroxylových skupin z celulózového kruhu také ruší vodíkové vazby a snižuje energii požadovanou pro degradaci molekuly. Dalším z aspektů, na kterých závisí tepelné vlastnosti, je původ celulózy. Nanokrystaly derivované z kokosu vykazují počáteční degradační teplotu okolo 120 °C, kdežto nanokrystaly z juty mají počáteční degradační teplotu mezi 260,7 °C a 278,8 °C. Rozdíl může plynout z přítomnosti necelulózových složek (ligniny, hemicelulózy atd.), jež mohou snižovat teplotu degradace. Proto je chemicky izolovaná celulóza stabilnější než celulóza chemicky nedotčená. [5]
2.2 Bakteriální nanocelulóza a její vlastnosti
Základním rozdílem bakteriální nanocelulózy (v angl. BNC) oproti celulózovým nanovláknům je v jejich čistotě a krystalinitě. Zatímco bakteriální nanocelulóza je v podstatě čistá celulóza, nanovlákna jsou v podstatě kompozity skládající se z celulózy a hemicelulózy. Bakteriální nanocelulóza může být produkována bakteriemi různých rodů, např. Gluconacetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Pseudomonas, Rhizobium, Sarcina aj. [12] Mezi nejpoužívanější se řadí aerobní bakterie Gluconacetobacter xylinus (dříve Acetobacter xylinum) [14], přirozeně se vyskytující v kyselině octové. Bakterie tohoto rodu jsou v přírodě všudypřítomné díky fermentaci sacharidů. Tato nefotosyntetizující bakterie je schopna vytvořit čistou celulózu z glukózy, glycerolu či jiných organických činidel. Ve srovnání s celulózou získanou z dřevěné buničiny neobsahuje celulóza z rodu Gluconacetobacter jiné polysacharidy. Izolace a purifikace bakteriální nanocelulózy je poměrně snadná, jelikož nevyžaduje energicky nebo chemicky náročný proces. Obsahuje totiž mikrobiální buňky, živiny a další sekundární metabolity, které mohou být odbourány použitím jemné alkalické úpravy, což vede ke vzniku vysoce čisté celulózy. [15] Bakteriální nanocelulóza je vylučována jako exopolysacharid na rozhraní se vzduchem. Může se shlukovat v subfibrily, které jsou schopny krystalizovat v mikrofibrily a následně ve větší svazky. Bakterie jsou kultivovány v běžných živných vodných médiích. [5]
Bakteriální nanocelulóza (BNC) může být produkována dvěma různými kultivačními metodami. Konkrétně se jedná o metodu statickou a metodu za rozrušených podmínek. Za statických kultivačních podmínek je typická želatinová membrána BNC akumulována na
22
povrchu kultury, kdežto za rozrušených kultivačních podmínek je BNC tvořena ve formě velmi dispergované hmoty v různých nepravidelných formách, např. jako granulát či svazek vláken.
Agitovaná metoda je vhodnější pro průmyslové aplikace. Výsledný stabilní hydrogel je složen ze sítě nanovláken o průměru 20-100 nm a uzavírá až 99 % vody. Výhodou použití bakteriálního systému k produkci nanocelulózy je, že se bakterie za určitých udržovaných podmínek velmi rychle rozmnožují a jsou schopny vytvořit nanocelulózu z různých uhlíkových zdrojů, např. z glukózy, etanolu či glycerolu. [5]
Co se týče základních vlastností bakteriální nanocelulózy, vyznačuje se vysokou porozitou, vysokou kapacitou zadržení vody, vysokou mechanickou pevností v mokrém stavu, nízkou hustotou, biokompatibilitou, biodegrabilitou a netoxicitou. [15] Mikrobiální celulóza vykazuje vysokou pevnost v tahu, tvárnost a vysokou nerozpustnost ve většině rozpouštědel. Bakteriální celulóza je 100 x tenčí než celulóza z rostlinných zdrojů. Typický Youngův modul je v rozpětí 15-35 GPa, s pevností v tahu v rozmezí 200-300 MPa. Bakteriální celulóza může zadržet vodu až ve 100 % její vlastní hmotnosti. Mezi další vynikající vlastnosti je řazena vysoká krystalinita, vysoce specifický povrch, elasticita a biokompatibilita, schopnost přetvoření v různý tvar i velikost, tvarová paměť. Mnoho vlastností může být kontrolováno v průběhu syntézy. [5], [14]
23
3 Postupy čištění celulózy a příprava nanocelulózových částic
Mezi hlavní kroky přípravy celulózových částic (čištění celulózy) jsou řazeny následující úpravy přírodních celulózových vláken:
• delignifikace – odstranění hemicelulóz a ligninu
• bělení pomocí chemických činidel [5]
Mezi hlavní kroky přípravy nanocelulózových částic potom patří tyto procesy:
• extrakce/izolace nanocelulózy:
o mechanické/fyzikální metody
vznik celulózových nanovláken o chemické/enzymatické metody
- vznik celulózových nanokrystalů, whiskers [5]
Extrakce celulózy z lignocelulózové biomasy je velmi složitý proces, především díky odolnosti buněčné stěny, která je způsobena vysoce krystalickou strukturou celulózy. Dezintegrace celulózy nastává za určitých zvláštních podmínek, je nutno překonat odpor buněčné stěny, vyhnutí se rozpadu struktury nebo ztrátě celulózy, použití uváženého množství energie, vyhnutí se toxickému odpadu apod. [5] Proces čištění celulózy musí být adaptován dle původního zdroje celulózy. [1] Je nutné předem definovat požadované vlastnosti finálního produktu, jelikož právě díky správnému výběru izolační metody mohou být vlastnosti finálního produktu do značné míry ovlivněny. [5]
Extrakce celulózy z lignocelulózové biomasy se sestává ze dvou hlavních kroků. Prvním krokem je předúprava celulózy, kdy dochází k odstranění necelulózových komponent (lignin, hemicelulózy aj.). Chemická izolace necelulózových složek musí však být následována druhotným ošetřením, aby došlo k narušení hierarchické struktury a k zisku materiálu o nanorozměrech. [5] Druhým krokem je tedy extrakce nanocelulózy z celulózových vláken pomocí nejrůznějších extrakčních metod. [10] V následujících kapitolách budou tyto metody a procesy popsány detailněji.
24
3.1 Proces delignifikace
První fáze extrakce nanocelulózy z lignocelulózového zdroje zahrnuje odstranění většiny necelulózových komponent, jako jsou třísloviny, škroby, vosky, pektiny, proteiny, především pak hemicelulóza a lignin. [5], [10]
Lignin má funkci pojiva mezi celulózou a hemicelulózami, udává pevnost, ochranu a nepropustnost buněčné stěně pro vodu. [10], [12] Hierarchická struktura přírodních vláken, založená na jejich elementárních nanovlákenných složkách, vede k unikátní pevnosti a k rozdílným vlastnostem u celulózy různého původu. [1] Dřevo je přírodní kompozitní materiál s hierarchickou strukturou, kde biopolymery jako celulóza, hemicelulóza a lignin tvoří vysoce porózní, anizotropní, buněčnou mikrostrukturu. Tato mikrostruktura vykazuje unikátní kombinaci vysoké pevnosti, tuhosti, tvrdosti a nízké hustoty. [5] Lignocelulózová vlákna jsou složena z agregátů mikrofibril. [1] Hemicelulóza přítomna v buněčné stěně celulózy je složena z různých monomerů, nejčastěji z xylanů a glukomananů. [10], [12] Xylany se hojně vyskytují ve tvrdém dřevě, kdežto glukomanany jsou většinou k nalezení v měkkém dřevě. [10] Jedná se o heteropolymer s vysoce komplexní strukturou tvořenou alifatickými a aromatickými řetězci.
[1], [10] Hemicelulóza ulpívá na celulózových vláknech prostřednictvím vodíkových vazeb a van der Waalsových interakcí, kromě toho se i váže s ligninem. [10] Struktura rostlinné buněčné stěny je vyobrazena na Obrázku 4 níže.
Obrázek 4 Struktura rostlinné buněčné stěny, [12]
Mezi dvě klasické metody předúpravy lignocelulózové biomasy patří použití kyseliny a chloritanu, dále pak alkalická metoda. [10]
Metoda použití kyseliny a chloritanu, taktéž tzv. proces delignifikace nebo bělicí proces, je hojně používána v papírenském průmyslu. Může dojít k odstranění většiny ligninu, hemicelulóz a dalších necelulózových složek pomocí použití destilované vody, chloritanu sodného a kyseliny octové. Veškeré tyto chemikálie se míchají s lignocelulózovou směsí při 70- 80 °C po dobu 4-12 hodin. Kyselina octová a chloritan sodný je přidáván do směsi
25
v pravidelných intervalech (např. každou jednu hodinu), čímž je možné kontrolovat hodnotu pH. Následně je směs míchána i přes noc a proces vyúsťuje ve vymytí destilovanou vodou až do dosažení neutrálního pH. Vzniklý pevný produkt, hemicelulóza, se shromáždí a suší se při 50° C. Bílá barva hemicelulózy indikuje úspěšné odstranění ligninu a dalších nečistot. [10]
Alkalická metoda spočívá v použití alkálie k odstranění amorfního polymeru hemicelulózy a zbytku ligninu. Specifické alkalické čištění vlákenné dřeně/dužiny vede k rozpuštění ligninu a k částečné dezinkrustaci celulózových mikrofibril z ostatních složek, zanechávající malé množství hemicelulózy a eventuelně pektinu na povrchu mikrofibril. Tyto složky jsou nezbytné nejen pro zjednodušení narušení buněčné stěny během mechanického působení, ale i pro specifické vlastnosti mikrofibril, když dojde k jejich homogenizaci a suspenzi ve vodě.
Zbytkové necelulózové složky na povrchu mikrofibril způsobují stabilitu vodné suspenze.
Proces extrakce musí být opakovaně kontrolován, aby nedošlo k nechtěné degradaci celulózy.
Jistotou, že se reakce děje pouze na povrchu vlákna, jsou neporušená nanovlákna zanechaná po extrakci. [1]
Obecně používanou alkálií je hydroxid sodný (4-20 hm. %), který je vždy míchán s hemicelulózou po dobu 1-5 hodin. Obdržený pevný produkt je následně vymyt v destilované vodě až do neutrálního pH a finálně se suší při 50° C. Výsledným produktem jsou převážně čistá celulózová vlákna. [10] Alternativní metodou k tomuto postupu je použití roztoku KOH namísto roztoku NaOH. [1]
Konkrétní alkalickou metodou je např. tzv. Kraftova metoda. Jedná se o nejvíce rozšířenou metodu v papírenském průmyslu, především díky kvalitě výsledné buničiny, flexibilitě, tahové síle a snížení UV žloutnutí. Lignocelulózový materiál je umístěn do alkalického roztoku NaOH, Na2S a Na2CO3. Po styku materiálu s daným roztokem mohou nastat dva druhy reakcí. Jednou z reakcí je degradace snižující molekulární hmotnost ligninu, protichůdnou reakcí je kondenzace, která naopak zvyšuje molekulární hmotnost. Mnoho po sobě jdoucích degradačních reakcí ligninu napomáhá delignifikaci a pomáhá zlepšovat mechanické vlastnosti.
Prvním krokem této metody je předúprava vlákna, která je složena z odstranění vzduchu v pórech daných materiálů, což vede ke zlepšení impregnace a k lepšímu kontaktu povrchu materiálu s činidlem. Předúprava obvykle spočívá v působení páry a následným kontaktem s činidlem za nízkých teplot (kolem 70 °C). Hlavní chemická úprava pak probíhá při teplotě 170 °C v natlakované nádobě, což vede k impregnaci materiálu a k solubilizaci vedlejšího produktu. [5]
26
3.2 Proces bělení
Delignifikace je obvykle následována bělením, kdy dochází k odstranění chromoforových skupin z ligninové struktury – výsledkem je bílá buničina a druhotné odstranění necelulózových složek. Mezi hlavní činidla patří např. elementární chlor. Pomocí něj se docílí vysokého jasu, ale zároveň dochází k tvorbě halogenovaných organických sloučenin (AOX).
Tyto sloučeniny způsobují žloutnutí barvy a mají vysoký dopad na životní prostředí, zároveň je vyšší spotřeba čerstvé vody. Celkově se nejedná o obvyklou metodu právě díky environmentálnímu dopadu i nízké stabilitě buničiny. Metoda použití elementárního chloru je běžně nahrazena použitím oxidu chloričitého (ClO2), což je založeno na vysoké reaktivitě.
Výhodou je vysoký jas i snížená produkce AOX sloučenin. Navíc je rozpustnost ve vodě 5 x vyšší než u metody s chlorem. Metoda použití ClO2 má sice nižší environmentální dopad, ale stále se jedná o derivát chloru (ClO2 má vysokou reaktivitu vůči fenolickým skupinám ligninu). Běžně používanou metodou je použití peroxidu vodíku (H2O2). Peroxid vodíku není tolik efektivní jako bělicí činidlo a jeho použití je omezené na barevnou změnu. Efektivita může být ovlivněna přítomností kovů, z nichž některé mohou být odstraněny např. kyselým mytím.
Reakce s H2O2 jsou běžně provedeny v prostředí s pH nad 10, při teplotě 60-90°C. [5]
Mezi další činidlo lze zařadit i kyslík, který je používán za alkalických podmínek při teplotě 90-100°C. Kyslík může být použit i s jinými činidly jako např. peroxid vodíku buď pro bělení, nebo při extrakci pro zlepšení efektivnosti a zisku kvalitnější buničiny. Veškeré zmíněné úpravy jsou ty, které jsou v praxi nejpouživatelnějšími. Existuje ale i mnoho jiných metod, např.
chinonová extrakce, použití kyseliny peroctové, bělení ozonem aj. [5]
Poté, co je materiál vyčištěn, by mělo dojít k redukci na nanorozměry, buď chemickou hydrolýzou amorfních oblastí, nebo mechanickým porušením vazeb mezi vlákny. Produkce nanovláken má tendenci vytvářet vysoké energetické spotřeby. Předúpravy používané právě pro redukci této energie je např. částečná hydrolýza (pomocí enzymů či jemných kyselin), nebo povrchová chemická funkcionalizace, pomocí které lze měnit povrchové vlastnosti částic.
Proces funkcionalizace může být dosažen např. pomocí sulfonace nebo acetylace. Právě sulfonace je jeden z nejčastějších procesů, jelikož k ní dochází při hydrolýze celulózy kyselinou sírovou. [5]
27
3.3 Metody extrakce nanocelulózy
Na základě extrakčního mechanismu mohou být metody přípravy nanocelulózových krystalů či vláken rozděleny do čtyř základních kategorií: mechanické, fyzikální, chemické a biologické.
[5] Souhrnně jsou tyto metody označeny jako top-down. [15] Mezi mechanické metody patří nejčastěji využívaná homogenizace, dále mletí či drcení (tzv. crashing či cryo-crashing) či konvenční rafinace. Mezi fyzikálními metodami je zařazeno použití mikrovln, UV záření, gama paprsku či ultrazvuk. Mezi metody chemické je řazena hydrolýza, která může probíhat v kyselém či alkalickém prostředí. Mohou být také použita organická rozpouštědla či iontové roztoky. Mezi úpravy biologické je především řazeno použití enzymů. [5] Po dezintegraci jsou mikrofibrily typicky obdrženy jakožto suspenze v kapalině, obvykle ve vodě. [16]
V následujících kapitolách jsou jednotlivé metody popsány detailněji.
3.3.1 Mechanické metody
Mechanické metody jsou velmi náročné na čas i na vysokou spotřebu energie. Prvně byla celulóza úspěšně izolována v nanorozměrech v 80. letech 20. století, a to právě za použití mechanických metod. Nejpoužívanější metodou je tzv. homogenizace, kdy dochází k průchodu celulózového materiálu malou tryskou za vysokého tlaku (500-1000 barů). Kombinací vysokého tlaku, vysoké rychlosti a dalších sil na proud tekutiny dojde k porušení vazeb v celulózové struktuře. Výsledkem jsou částice v nanorozměrech. [5] Během homogenizace dochází i ke změně viskozity, tedy z nízko viskozitního média se stává vysoce viskozitní médium. [16] Výsledné vlastnosti, morfologie i přesné rozměry nanočástic jsou určeny podmínkami homogenizace, tj. například koncentrace vzorku či počet průchodů zařízením.
Některá zařízení mají dvě rozlišené komory, což umožňuje vznik více homogenního vzorku. [5]
Jinou mechanickou metodou k defibrilaci celulózových vláken je drcení/mletí (crushing).
[5],[10] Nejčastěji je použita tzv. metoda kulového mlýnu (ball milling). Hlavními součástmi kulového mlýnku jsou mlecí kuličky (či jiné brusné médium) různých velikostí a z různých materiálů, např. z oceli, keramiky atd. V důsledku odstředivé síly z rotující nádoby (patrony) dojde k vytvoření třecí síly mezi kuličkami i mezi kuličkami a povrchem nádoby. Jednoduché schéma protichůdných pohybů nádoby a mlecích kuliček v planetárním kulovém mlýně je zobrazeno na Obrázku 5 níže.[10] Působením mechanických sil dochází k lokálnímu
„praskání“, což formuje určité kritické napětí ve středu vláknitého materiálu. [5] Výsledkem je menší velikost celulózových vláken. [10] Výhodou této metody je možnost zpracovávání
28
většího obsahu hmoty, a na rozdíl od homogenizace nedochází k ucpávání trysky. Proces drcení snižuje krystalinitu celulózy díky změnám v konformaci a konfiguraci, zároveň se drcením zvyšuje rozpustnost celulózy. Proces může být ovlivněn několika faktory, např. původem celulózy, dále technickými faktory jako např. počtem a velikostí mlecích kuliček, rychlostí a časem mletí aj. Bylo zjištěno, že ke vzniku 25 % celulózy o rozměrech 1-20 µm je třeba poměrně dlouhý časový úsek – cca 8 hod drcení. [5]
Obrázek 5 Planetární kulový mlýn [10]
Mezi speciální metodu drcení patří tzv. cryocrushing, kdy dochází k ponoření vodou nabobtnalého celulózového materiálu do tekutého dusíku, a to zároveň za použití hmoždíře a paličky. Pokud je zmražený vzorek pod vlivem mechanického stresu, krystalky ledu prořežou buněčnou stěnu. Dochází ke vzniku ledových krystalů. Jiné techniky jako např. exploze páry, tvorba v polymerovém extruderu, konvenční rafinace aj. jsou vysoce energeticky náročné a vyžadují různé celulózové předúpravy.[5]
3.3.2 Fyzikální metody
Základním principem fyzikálních metod je modifikace suspenze vody a celulózové buničiny za vysokého tlaku. Právě vysoký tlak, vysoká rychlost a jiné působící síly pomáhají zmenšovat rozměry v nanoškálu. Vlastnosti, morfologie a poměr délky a šířky závisí na stupni homogenizačních podmínek. Často jsou fyzikální metody kombinovány např. s metodami chemickými, a to především díky jejich vysoké energetické spotřebě. [5]
Sonikace je použita buď samostatně, nebo v kombinaci s jinými metodami, nejčastěji např.
s kyselou hydrolýzou. [5] Jedná se o proces defibrilace celulózových vláken pomocí hydrodynamických sil ultrazvuku. Při této metodě je vytvářena mechanická oscilační síla, která vede k tvorbě, expanzi a implozi mikroskopických plynných bublin, zatímco molekuly kapaliny absorbují ultrazvukovou energii. [10] Dovnitř celulózové hmoty je vložena sonda, která funguje ve vysokých frekvencích, cca 20 kHz – 10 MHz. V momentě, kdy jsou celulózová
29
vlákna zahřáta, ať už kondukcí, konvekcí či radiací, je odstraněna voda ze struktury – celulóza je dehydrována. Dojde k porušení C-OH vazeb. Vzniklé volné radikály uhlíku jsou extrémně reaktivní a spojí se s jakýmkoliv reaktantem v jejich okolí – takovými reaktanty mohou být zbylé části celulózového řetězce. Vazby mezi řetězci změní strukturu celulózy, částice vykazují rozměry v nanoškále. Vysoký stupeň defibrilace je dosažen pouze pomocí vysoce výkonné ultrasonikace. [5] Ultrazvuk je používán především k rozvolnění větších shluků přírodních vláken v menší elementární vlákna, přičemž je vlákenná struktura zachována. [12] Jeden z největších problémů této metody je vysoká teplota, tudíž je nutné pracovat postupně a vzorek v mezičase ochlazovat, aby nedocházelo k degradaci a zuhelnatění. Příliš dlouhá sonikace může vyvolat značné poškození celulózového materiálu tvorbou defektů podél mikrofibril a lámat je v menší segmenty – v těchto případech je nutno použít nižší frekvence. Při sonikaci může také za specifických podmínek docházet k alomorfním přechodům z celulózy Iα na celulózu Iβ. Faktory ovlivňující různou sonikaci jsou např. amplituda, intenzita na špičce trysky, teplota a koncentrace dispergátoru, tlak, objem a dále i tvar použité nádoby. V závislosti na vlastnostech je sonikace celulózy použita v řadě praktických aplikací. Mezi tyto aplikace např.
patří konzervace potravin, mycí či sušící procesy, svařování, medicína, odplyňování v chemii apod. [5]
Alternativní fyzikální metodou může být také použití mikrovln. Hlavní nevýhodou této metody je nízká výtěžnost celulózy v nanorozměrech díky její vysoké degradaci. Prostřednictvím gama paprsku dochází k rozdělení plynné směsi (25-30 % H2, 13-18 % CO, 45-58 % CO2, 2- 3 % CH4), a to díky dehydrogenaci, depolymerizaci a porušení glykosidických vazeb řetězců.
Byla zkoumána molární hmotnost a polydisperzita ozářených celulózových vláken, přičemž bylo zjištěno, že destrukce pomocí vysoké energie ovlivňuje sekundární i nadmolekulární struktury. [5]
3.3.3 Chemické metody
Mezi chemické metody je řazena kyselá hydrolýza a alkalická hydrolýza, dále použití organických rozpouštědel a iontových roztoků. [5] Jednotlivé chemické postupy jsou detailněji popsány v následujících kapitolách.
Kyselá hydrolýza
Bylo dokázáno, že existuje mnoho silných kyselin, které jsou schopny celulózu degradovat.
Prostřednictvím kyselé hydrolýzy dochází k odstranění amorfních oblastí surového
30
celulózového materiálu, což je příčinou vzniku nanostruktury. [5] Kyselina reaguje velmi pomalu s krystalickými částmi celulózy, degradace primárně probíhá právě v amorfních oblastech. [17] Pro vznik stálých vodných suspenzí celulózových nanovláken bývají použity minerální anorganické [15] kyseliny, nejčastěji kyselina sírová a chlorovodíková, dále pak i kyselina fosforečná či bromovodíková. Hlavní faktory ovlivňující morfologii a rozměry vzniklých vláken jsou reakční čas, teplota hydrolytické reakce, především pak koncentrace kyseliny. Se zvyšujícím se reakčním časem a stoupajícími teplotami se snižuje výtěžek produktu a zvyšuje se krystalinita. [5]
Proces výroby nanocelulózy kyselou cestou je iniciován disperzí celulózy v roztoku kyseliny – je velmi důležité definovat poměr celulózy a kyseliny. Celulóza je určitý čas ponořena v roztoku kyseliny. Reakce je popsána za použití H2SO4 a je viditelná na Obrázku 6 níže.
Výsledkem interakce mezi celulózou a kyselinou sírovou je porušení vodíkových vazeb mezi hydroxylovými skupinami celulózy. Proces vede k oddělení molekulárních řetězců celulózy a následně k jejímu rozpuštění. Pokud není reakce včas zastavena, může dojít k totální destrukci celulózy na uhlík (jelikož je postupně odjímána voda), čehož je využito např. při karbonizaci vlny. [18]
Obrázek 6 Hydrolýza celulózy za použití kyseliny sírové [18]
Během hydrolýzy jsou amorfní oblasti hydrolyzovány. Hydroxoniové kationty (H3O+) pronikají do celulózových řetězců v těchto amorfních oblastech, čímž dochází k hydrolytickému štěpení glykosidických vazeb a poté k uvolňování jednotlivých krystalitů.
Následně je reakce potlačena přidáním destilované vody. Bylo zjištěno, že 90% a 80%
koncentrace H2SO4 nebyly vhodné z důvodu razantní redukce celulózy. Při koncentracích 50%
a 60% docházelo pouze k částečné hydrolýze. Dále bylo uvedeno, že 65-70% koncentrace
31
H2SO4 jsou nejvhodnější. Je také doporučeno, aby reakce probíhala za pokojové teploty v místnosti. Mondal např. uvádí, že při přípravě nanocelulózy za 62 % koncentrace kyseliny sírové po dobu 100 min při 56 °C, degraduje 5 hm. % celulózového materiálu, z čehož je 55,7 hm. % v krystalické formě a celulózové zbytky tvoří 17,4 hm. %. Často bývá kyselá hydrolýza kombinována s ultrazvukem, pomocí čehož dojde k odstranění heteropolysacharidů přítomných na povrchu nanokrystalů, které mění elektrostatické chování. Suspenze může být následně centrifugována a opět dispergována ve vodě – až do neutrálního pH. [5]
Jedním z hlavních důvodů častého použití kyseliny sírové jakožto hydrolyzujícího činidla je esterifikace hydroxylových skupin pomocí sulfátových iontů, přičemž může docházet k negativně nabitým povrchům celulózových vláken. Přítomnost negativně nabitých sulfátových skupin vyvolává vznik negativních elektrostatických vrstev pokrývajících nanokrystaly a jejich lepší disperzi ve vodě. [5] Zároveň je ale přítomností sulfátových skupin snižována termostabilita nanokrystalů. [15] Bylo zjištěno, že při použití kyseliny sírové je vodná suspenze s nanokrystaly stabilnější než při použití kyseliny chlorovodíkové. Nicméně použití H2SO4 ovlivňuje negativně nabitý povrch nanokrystalů, kdežto použitím HCl vznikají nanokrystaly s neutrálním povrchem. [5] Díky kyselině sírové vznikají vysoce stabilní koloidní roztoky. [15] Nevýhodou této metody je, že kyselina sírová kontaminuje odpadní vody, což musí být ošetřeno před vpuštěním do životního prostředí. [12]
Alkalická hydrolýza
Alkalickou hydrolýzou je řízeno částečné oddělení celulózových vláken z buněčné stěny.
Metoda alkalické hydrolýzy zlepšuje fyzikální i chemické vlastnosti celulózy, zvláště reaktivitu s ostatními chemickými činidly. Obvykle jsou použity ředěné roztoky NaOH (1-10 %) při nízkých či vyšších teplotách, nebo koncentrované NaOH roztoky (přes 10 %) pouze za nízkých teplot. [5]
Použití organických rozpouštědel
Celulóza je nerozpustná ve vodě i v mnoha anorganických či organických rozpouštědlech, a to především díky velmi definované struktuře a silným intermolekulárním a intramolekulárním vodíkovým vazbám, způsobených hydroxylovými skupinami. Prvním problémem při rozpouštění celulózových řetězců je dostatečné snížení entropie, což se specificky děje právě při rozpouštění charakteristicky dlouhých řetězců. Molekulární hmotnost je dalším kritickým faktorem pro rozpouštění celulózy. [5]
32
V procesu rozpouštění celulózy musí mít rozpouštědlo schopnost difuze (průniku) do řetězců celulózy a oddělit tak její krystalické a amorfní oblasti. Uvnitř krystalických oblastí rozpouštědlo přímo napadá pevné intermolekulární spojení (vodíkové vazby) a amorfní oblasti by měly také být rozděleny. Celkový mechanismus rozpouštění celulózy na rozhraní celulóza- rozpouštědlo má 5 fází, což je detailně vyobrazeno na Obrázku 7 níže. Prvně se pevná fáze celulózy spojí s rozpouštědlem (1). Na fázovém rozhraní rozpouštědlo napadá stěnu celulózy a ta pod vlivem tohoto rozpouštědla bobtná (2), což se děje nad teplotou amorfního stavu (příp.
stavu sklovitého). Proces bobtnání vzroste do bodu rozuzlení struktury (3), poté jsou pevné řetězce přeměněny z nabobtnalé fáze do fáze pevné (4) a dále může dojít k vývoji solubilizace uvnitř pevného materiálu (5). [3]
Obrázek 7 Mechanismus rozpouštění celulózy [3]
Aktivní rozpouštědlo musí mít k rozpuštění celulózy kapacitu na uvolnění a rozpletení celulózových řetězců, musí mít vysokou difuzivitu (rozptýlenost) a také schopnost narušit krystalickou strukturu. V závislosti na těchto vlastnostech bylo objeveno několik vodných i nevodných rozpouštědel celulózy. Veškerá tato rozpouštědla však mají vysokou environmentální toxicitu (a nemohou být znovu použita), nebo jsou velmi drahá. Proto je výzkum směřován k použití organických rozpouštědel (např. N-methylmorfolin-N-oxid (NMMO), kyselina trifluoroctová (TFA), dimethylsulfoxid (DMSO), dimethylformamid (DMF) aj.), jelikož jejich hlavní výhodou je nejen jejich zotavení např. pomocí destilace, ale mohlo by dojít i k obnově celulózy, ligninu a hemicelulóz. [5]
Rozpouštědla celulózy lze rozdělit do dvou základních skupin – derivatizační a nederivatizační, přičemž se v každé z těchto skupin rozlišují vodná a nevodná média. Skupina derivatizačních rozpouštědel změní celulózu před jejím rozpuštěním díky reakci s jednou až třemi hydroxylovými skupinami v řetězci. V podstatě vedlejším účinkem reakce s hydroxylovými skupinami je zlepšená rozpustnost v konvenčních rozpouštědlech. V nederivatizačních
33
rozpouštědlech probíhá rozpouštění daného biopolymeru výhradně díky intermolekulárním interakcím, kdy nedochází k přeměně celulózy před rozpuštěním, ale k narušení sil ve struktuře.
Nedochází tedy k žádné chemické modifikaci. Nederivatizační rozpouštědla mohou být také použita k produkci esenciálních, vysoce upravených celulózových derivátů. [5]
Použití iontových roztoků
Iontové kapaliny jsou v podstatě organické soli v kapalném stavu, skládající se z aniontů a kationtů. Mají extrémně nízký tlak páry, bod tání pod 100 °C, jsou chemicky i tepelně stabilní, nehořlavé. Je známo přes 20 takových roztoků, které rozpouští celulózu a narušují meziřetězcové vodíkové vazby, k čemuž dochází hlavně v aniontových částech roztoku.
Největší výhodou použití iontových roztoků je jejich zotavení se pomocí nejrůznějších metod (vypařováním, iontovou výměnou, reverzní osmózou) a jejich následné znovupoužití. Některé studie uvádějí, že může dojít k rozpuštění celulózy v některých hydrofilních iontových kapalinách, např. 1-butyl-3-methylimidazolium chlorid (BMIMCl) nebo např. 1-alyl-3- methylimidazolium chlorid (AMIMCl). Ohřátí pomocí mikrovln zrychluje proces rozpouštění.
Bylo taktéž referováno, že celulóza může být regenerována z jejího iontového roztoku přidáním vody, etanolu či acetonu. Iontový roztok TBAF/DMSO (tetrabutylammonium fluorid trihydrát/dimethylsulfoxid) je schopen 100 % rozpustit celulózu za 20 min. Rozpouštědlo TBAH/DMSO (tetrabutylammonium hydroxid/dimethylsulfoxid) je schopno rozpustit 95 % celulózy za 60 min. Dalším výborným rozpouštědlem celulózy je Triton B (trimethylbenzylammonium hydroxid), který rozpustí až 98 % celulózy, ale za časový úsek 24 hod. [5]
3.3.4 Biologické metody – enzymatická hydrolýza
Enzymatické úpravy jsou environmentálně optimální, je spotřebováno nižší množství energie než při jiných metodách, vykazují funkčnost za mírnějších podmínek. [5] Nicméně stále jsou tyto metody náročné technicky, ekonomicky a časově. [12] Biologická degradace celulózy může probíhat za přítomnosti mikroorganismů či přímo reakcí s enzymy. Mezi takové mikroorganismy se řadí např. celulózové houby – Trichoderma reesei, či bakterie Gluconacetobacter xylinus. [5] Mezi konkrétní enzymy používané k hydrolýze se řadí např.
celulázy, endoglukanázy, celobiohydrolázy aj. [12]
34
4 Použití a aplikace nanocelulózy
Nanocelulóza může nejen vylepšovat vlastnosti stávajících materiálů, ale může jim i udávat nové funkce. [5] V této kapitole budou blíže popsány biomedicínské aplikace, antimikrobiální aplikace, bionanokompozitní aplikace. Dále bude uvedeno praktické použití nanocelulózových aerogelů, hydrogelů, filmů a mnoho jiných možných aplikací.
4.1 Biomedicínské aplikace
V mnoha studiích bylo prokázáno, že má nanocelulóza nulovou či nízkou toxicitu v případě jejího použití jakožto biomedicínského materiálu. Bylo však také deklarováno, že hojnou inhalací nanocelulózy, zejména nanokrystalů, může docházet k plicním zánětům. [11], [13]
V budoucnu by měl být vliv nanocelulózy na lidské zdraví prozkoumán více, především míra cytotoxicity (nitrobuněčné otravy).
Ve tkáňovém inženýrství je nanocelulóza již hojně využívána jako tkáňový nosič (scaffold) [14], a to ve formě hydrogelů, kompozitů, membrán atd. Nejčastěji je k těmto tkáňovým nosičům používána bakteriální nanocelulóza, jelikož má prokázanou nízkou cytotoxicitu a zároveň je vysoce porézní. Dále může být nanocelulóza v biomedicíně použita jako pomocná látka léčiv, nosič léčiv do cílových buněk [10], potah léčiv (na povrchu je vytvořen nanocelulózový film). Díky výborným mechanickým vlastnostem a dobrou biokompatibilitou může být nanocelulóza použita i jako náhrada krevních cév, měkkých tkání (vazy, chrupavka, meniskus), [13] membrána pro umělé ledviny [11] či jádro meziobratlové ploténky. Hojně je používána k regeneraci – jako podpora hojení tkání, orgánů, buněk. [13]
4.2 Antimikrobiální aplikace
Antimikrobiální vlastnosti mohou být dosaženy modifikacemi nebo spojením nanocelulózy např. s nanočásticemi kovů, s nanočásticemi oxidů kovů atd. Důležitým antimikrobiálním přírodním činidlem je lysozym, který se vyskytuje v lidských sekretech. Nanocelulóza konjugovaná s lysozymem může být v odborné literatuře k nalezení pod zkratkou LCNC (lysozyme-conjugated nanocellulose). Lysozym může být použit jako konzervační prostředek potravin a přímo v balení potravin pro prevenci či zamezení růstu bakterií, jelikož má navzdory mnoha jiným konzervačním prostředkům nulovou toxicitu pro lidské buňky. Možnost využití antibakteriálních vlastností je i pro textilní materiály. Jiným významným antimikrobiálním činidlem je alicin, který inhibuje širokou škálu gram-negativních i gram-pozitivních bakterií,
35
dále hub, parazitů i virů. Je k nalezení mj. ve stroužcích česneku. Kromě antimikrobiálních účinků je antioxidantem, anti-karcinogenní, protizánětlivý atd. Obecně musí být celulóza upravena, modifikována a poté spojena s daným enzymem. Díky absenci aktivních funkčních skupin u alicinu musí nejprve dojít jeho modifikaci na amin-alicin, který je s celulózou vázán díky aminoskupině. V odborné literatuře je pro spojení alicinu a nanocelulózy použita zkratka ACNC (allicin-conjugated nanocellulose). [5] Antimikrobiální vlastnosti mohou být docíleny i použitím stříbrných nanočástic. [3]
4.3 Bionanokompozitní aplikace
Kompozitní materiály obsahují polymerový matrix a výplňový materiál jakožto výztuž.
Výztuže jsou obvykle např. ze skleněných, aramidových či uhlíkových vláken. Výztuž je používána z důvodu podpory/zvýšení mechanických i tepelných vlastností. Nahrazením artificiálních vláken např. vlákny přírodního původu (celulóza, chitin, škrob) by došlo ke snížení environmentální stopy, k nižším nákladům za materiál. Navíc tyto materiály mají výborné tepelné vlastnosti, jsou biodegradabilní a mají nižší hustotu. [3]
Kompozity jsou materiálové systémy sestávající se z jedné či více diskontinuálních fází zabudovaných v kontinuální fázi. Jsou to materiály skládající se z nejméně dvou rozdílných a kompletně nesmísitelných materiálů. Diskontinuální fáze je v odborné literatuře často označována jako „pojivo“ či „posila“ (z angl. reinforcement), kontinuální fáze je označována jako „matrix“. V kompozitech se mohou vyskytovat i jiné složky, např. změkčovadla, pigmenty, stabilizátory tepla či světla, a to pro zisk určitých vlastností. Byly vyvinuty kompozity s různými specifickými vlastnostmi, např. rezistence vůči korozi, elektrická izolace, vyšší pevnost a tuhost aj. Biokompozity jsou takové kompozity, které jsou biodegradabilní.
Navíc jsou kombinací přírodních vláken, jako jsou vlákna dřevěná (tvrdé, měkké dřevo) či vlákna nedřevěná, např. konopí, ananas, juta, sisal, len aj. Biokompozity také mají polymerové matrice z obnovitelných a zároveň neobnovitelných zdrojů. Každé celulózové vlákno je v podstatě kompozit, ve kterém jsou stálé celulózové mikrofibrily ukotveny v matrixu. [5]
Celulózové biokompozity mají nízkou hmotnost, nízkou hustotu, jsou hořlavé, vysoce hydrofilní, neabrazivní [12], [19] netoxické, levné, obnovitelné, kompostovatelné a téměř neomezeně dostupné. Jsou také levnější než jiné syntetické polymery. [12] Mají vysoce specifický povrch a při jejich výrobě je spotřebováno malé množství energie. Nevýhodou použití celulózy jako „pojiva“ může být adheze na rozhraní, nízký bod tání a slabá odolnost
