Investigation and characterization of oxidized cellulose and cellulose nanofiber films

• Main Author: Yang, Han
• Other Authors: Theodorus G Van de Ven (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Chemistry - Polymer
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=106551

Over the last two decades, a large amount of research has focused on natural cellulose fibers, since they are "green" and renewable raw materials. Recently, nanomaterials science has attracted wide attention due to the large surface area and unique properties of nanoparticles. Cellulose certainly is becoming an important material in nanomaterials science, with the increasing demand of environmentally friendly materials.In this work, a novel method of preparing cellulose nanofibers (CNF) is being presented. This method contains up to three oxidation steps: periodate, chlorite and TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl) oxidation. The first two oxidation steps are investigated in the first part of this work. Cellulose pulp was oxidized to various extents by a two step-oxidation with sodium periodate, followed by sodium chlorite. The oxidized products can be separated into three different fractions. The mass ratio and charge content of each fraction were determined. The morphology, size distribution and crystallinity index of each fraction were measured by AFM, DLS and XRD, respectively. In the second part of this work, CNF were prepared and modified under various conditions, including (1) the introduction of various amounts of aldehyde groups onto CNF by periodate oxidation; (2) the carboxyl groups in sodium form on CNF were converted to acid form by treated with an acid type ion-exchange resin; (3) CNF were cross-linked in two different ways by employing adipic dihydrazide (ADH) as cross-linker and water-soluble 1-ethyl-3-[3-(dimethylaminopropyl)] carbodiimide (EDC) as carboxyl-activating agent. Films were fabricated with these modified CNF suspensions by vacuum filtration. The optical, mechanical and thermo-stability properties of these films were investigated by UV-visible spectrometry, tensile test and thermogravimetric analysis (TGA). Water vapor transmission rates (WVTR) and water contact angle (WCA) of these films were also studied. === Au cours des deux dernières décennies, une grande quantité de recherches ont portées sur les fibres de cellulose naturels, car ils sont «verts» et de matières premières renouvelables. Récemment, la science des nanomatériaux a attiré l'attention en raison de la gamme grande surface et les propriétés uniques des nanoparticules. La cellulose est en train de devenir un matériau important dans la science des nanomatériaux, à la demande croissante de matériaux écologiques. Dans ce travail, un nouveau procédé de préparation de cellulose nanofibres (CNF) est présenté. Cette méthode contient un maximum de trois étapes d'oxydation: oxydations au periodate, au chlorite et au TEMPO (2,2,6,6-tétraméthylpipéridinyle-1-oxyle). Les deux premières étapes d'oxydation sont étudiées dans la première partie de ce travail. La pâte de cellulose a été oxydée à des degrés divers par un à deux étapes d'oxydation au periodate de sodium, suivi par le chlorite de sodium. Les produits oxydés peuvent être séparés en trois fractions différentes. Le ratio de la masse et le contenu de charge de chaque fraction ont été déterminés. La morphologie, la distribution de la taille et l'indice de cristallinité de chaque fraction ont été mesurés par l'AFM, DLS et XRD, respectivement. Dans la seconde partie de ce travail, des CNF ont été préparés et modifiés dans diverses conditions, y compris (1) l'introduction de diverses quantités de groupes aldéhyde sur les CNF par oxydation au periodate, (2) les groupes carboxyle sous forme de sodium sur les CNF ont été convertis à leur forme acide par traitement avec un type d'acide résine échangeuse d'ions; (3) ces CNF ont été réticulés de deux manières différentes en employant dihydrazide adipique (ADH) en tant que cross-linker et soluble dans l'eau 1-éthyl-3-[3- (diméthylaminopropyl)] carbodiimide (EDC) comme agent activateur de carboxyle. Les films ont été fabriqués avec ces suspensions de CNF modifiés par filtration sous vide. Les propriétés optiques, mécaniques et la thermo-stabilité de ces films ont été étudiées par spectrométrie UV-visible, essai de traction et de l'analyse thermogravimétrique (TGA). Les taux de transmission de vapeur d'eau (WVTR) et l'angle de contact de l'eau (WCA) de ces films ont également été étudiés.