Diplomsko delo IZOLACIJA MIKRO IN NANOCELULOZE IZ RASTLINSKIH MATERIALOV September, 2018 Monika Dokl

Transkripcija

1 Diplomsko delo IZOLACIJA MIKRO IN NANOCELULOZE IZ RASTLINSKIH MATERIALOV September, 2018 Monika Dokl

2 Monika Dokl Izolacija mikro in nanoceluloze iz rastlinskih materialov Diplomsko delo Maribor, 2018

3 Izolacija mikro in nanoceluloze iz rastlinskih materialov Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Študent: Študijski program: Predvideni strokovni naslov: Mentor: Komentor: Monika Dokl univerzitetni študijski program I. stopnje Kemijska tehnologija diplomirana inženirka kemijske tehnologije (UN) red. prof. dr. Maja Leitgeb asist. Katja Vasić, univ. dipl. inž. kem. tehnol. Maribor, 2018

4

5 Kazalo Kazalo... I Izjava... II Zahvala... III Povzetek... IV Abstract... V Seznam slik... VI Seznam tabel... VII Uporabljene kratice... VIII 1 Uvod in opredelitev problema Opredelitev problema Celuloza in druge biološke molekule Nanoceluloza Viri nanoceluloze Načini izolacije nanoceluloze Hipoteze, namen in cilji Metode dela in materiali Laboratorijske metode Karakterizacijske laboratorijske metode Rastlinski material Eksperimentalni del Postopek izolacije nanoceluloze iz rastlinskih materialov Analize vzorcev Rezultati in diskusija FTIR TGA DSC DLS SEM EDS Zaključek Literatura Življenjepis I

6 Izjava Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelala sama, prispevki drugih so posebej označeni. Pregledala sem literaturo s področja diplomskega dela po naslednjih geslih: Vir: Science Direct ( Gesla: Število referenc Isolation IN nanocellulose 256 Nanocellulose IN preparation methods 104 Microcellulose IN nanocellulose 36 Vir: Google Scholar ( Gesla: Število referenc nanocellulose IN plant materials IN isolation IN characterization 90 Skupno število pregledanih člankov: 34 Skupno število pregledanih knjig: 3 Maribor, september 2018 Monika Dokl II

7 Zahvala Zahvaljujem se mentorici, red. prof. dr. Maji Leitgeb, za pomoč, strokovne nasvete in vodenje pri izdelavi diplomskega dela. Posebno se zahvaljujem somentorici asist. Katji Vasić, univ. dipl. inž. kem. tehnol. za pomoč v laboratoriju in strokovno usmerjanje pri eksperimentalnem delu Zahvala gre tudi staršem in prijateljem, ki so me v času študija vzpodbujali in mi stali ob strani. III

8 Povzetek Nanoceluloza s časom pridobiva vse več pozornosti, saj velja za material z dobrimi mehanskimi in termičnimi lastnostmi. Uporablja se v številnih aplikacijah, kjer se dodaja k drugim materialom in tako izboljša njihove lastnosti. Zaradi razširjenosti, nizke cene in odličnih lastnosti lahko nanocelulozo proizvajamo trajnostno in obnovljivo. V diplomskem delu smo iz praproti Polypodiopsida celulozo izolirali na tri različne načine. Vsi postopki so zajemali začetno mehansko obdelavo in kasnejšo kemijsko obdelavo. Kemijski postopki so vsebovali alkalno in kislinsko obdelavo, obdelavo z vodikovim peroksidom in obdelavo z žveplovo (VI) kislino. Spreminjali smo časovna obdobja naštetih obdelav. Vzorci so bili analizirani s Fourierjevo transformacijsko infrardečo spektroskopijo (FTIR), termogravimetrično analizo (TGA), diferenčno dinamično kalorimetrijo (DSC), dinamičnim sipanjem svetlobe (DLS), vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) in energijsko disperzijsko spektrometrijo (EDS). S FTIR analizo smo potrdili prisotnost celuloze, hemiceluloze in lignina, z EDS analizo pa vsebnost ogljika in kisika. S TGA in DSC smo daljšo alkalno obdelavo označili za najuspešnejšo pri zagotavljanju termične stabilnosti. S SEM in DLS metodo smo postopek, ki je vseboval daljšo obdelavo z vodikovim peroksidom, označili za najuspešnejšega, saj smo v tem primeru dobili nanocelulozo. Ključne besede: celuloza, nanoceluloza, mikroceluloza, izolacija, rastlinski material UDK: (043.2) IV

9 Isolation micro and nanocellulose from plant materials Abstract Nanocellulose is gaining more and more attention over time as it is a material with good mechanical and thermal properties. It is used in many applications where it is added to other materials to improve their properties. Because it is commonly spread and has low price and unique properties, nanocellulose can be manufactured sustainably and is renewable. In this diploma paper, cellulose was isolated from Polypodiopsida fern in three different procedures. All procedures included initial mechanical processing and subsequent chemical treatment. Chemical processes were alkali and acid treatment, bleaching and treatment with sulfuric acid (VI). Within optimization, time periods of the listed treatment were changed. Samples were analyzed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic Light Scattering (DLS), Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The FTIR analysis confirmed the presence of cellulose, hemicellulose and lignin, and EDS analysis confirmed content of carbon and oxygen. With TGA and DSC analysis we have confirmed that longer alkali treatment is the most successful in providing thermal stability. With SEM and EDS analysis, the process, which included longer bleaching, was considered to be the most successful, because in this case nanocellulose was obtained. Key words: cellulose, nanocellulose, microcellulose, isolation, plant material UDK: (043.2) V

10 Seznam slik Slika 1-1. Struktura a) celuloze, b) hemiceluloze in c) lignina [43]... 2 Slika 1-2. β-1,4-glikozidna vez med dvema molekulama glukoze [16]... 2 Slika 1-3. Kristalinična a) [14] in fibrilna b) [15] nanoceluloza... 4 Slika 2-1. Praprot Polypodiopsida [50]... 9 Slika 3-1. Material pred a) in po b) mehanski obdelavi Slika 3-2. Alkalna obdelava materiala Slika 3-3. Obdelava materiala z H2O Slika 3-4. Kislinska obdelava materiala Slika 3-5. Obdelava materiala s H2SO Slika 3-6. Posušen vzorec po celotni obdelavi Slika 4-1. FTIR spekter za NC Slika 4-2. FTIR spekter za NC Slika 4-3. FTIR spekter za NC Slika 4-4. TGA spekter za NC Slika 4-5. TGA spekter za NC Slika 4-6. TGA spekter za NC Slika 4-7. DSC spekter za NC Slika 4-8. DSC spekter za NC Slika 4-9. DSC spekter za NC Slika DLS spekter za NC Slika DLS spekter za NC Slika DLS spekter za NC Slika Posnetki SEM analize vzorca NC1 pri a) 5000x, b) 50000x, c) in d) 10000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC1 pri 20000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC2 pri a) 5000x, b) 5000x, c) 40000x in d) 20000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC2 pri 40000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC3 pri a) 5000x, b) 5000x, c) x in d) 80000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC3 pri x povečavi Slika Posnetek SEM analize vzorca NC1 pri 10000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in Slika Primerjava EDS spektrov za NC Slika Posnetek SEM analize vzorca NC2 pri 40000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in Slika Primerjava EDS spektrov za NC Slika Posnetek SEM analize vzorca NC2 pri 20000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in Slika Primerjava EDS spektrov za NC VI

11 Seznam tabel Tabela 3-1. Čas obdelav glede na postopek VII

12 Uporabljene kratice Kratice FTIR TGA DSC DLS SEM EDS Fourierjeva transformacijska infrardeča spektroskopija termogravimetrična analiza diferenčna dinamična kalorimetrija dinamično sipanje svetlobe vrstični elektronski mikroskop energijska disperzijska spektrometrija VIII

13 1 Uvod in opredelitev problema 1.1 Opredelitev problema V zadnjih letih se je povečal interes v sestavljene materiale oz. kompozite, ki so ojačani z nanodelci. Eden najpogostejših in najpriročnejših virov je nanoceluloza, ki jo lahko z različnimi metodami pridobimo iz naravnih materialov. Celuloza je najbolj razširjen obnovljv polimer na svetu. Najdemo ga v stenah rastlinskih celic, proizvajajo ga lahko tudi bakterije in živali [1]. Danes se celuloza pogosto pojavlja v obliki odpadkov [2] ali neuporabnih stranskih produktov. Gre za nizkocenoven ostanek, ki ga lahko predelamo in uporabimo kot primes k drugim snovem. Nanoceluloza je znana predvsem po njenih edinstvenih lastnostih, kot je nizka teža, termična stabilnost in visoka kristaličničnost. Z dodajanjem celuloznih delcev v druge materiale zaradi visokega elastičnega modula kristaliničnosti celuloze, večjega kot jeklo, povečamo togost materiala [3] in izboljšamo druge mehanske in termične lastnosti [4]. Zaradi omenjenih prednosti, ki jih nanoceluloza prinaša, se raziskujejo različni postopki izoliranja. Najboljši postopek je tisti, s katerim pridobimo nanokristalinično celulozo. Izolacijo izvajamo iz materialov, ki so dostopni v velikih količinah in nizkih cenah, so stranski produkt drugih industrij oz. predstavljajo odpadni material npr. lesne, tekstilne in papirne industrije [3]. 1.2 Celuloza in druge biološke molekule Celuloza, hemiceluloza in lignin so glavne komponente sten rastlinskih celic [5]. Skupaj sestavljajo lignocelulozno biomaso, ki poleg naštetih komponent vsebuje še pektin, proteine in anorganske materiale kot so minerali. Delež celuloze v biomasi sega od 30 % do 50 %, hemiceluloze od 15 % do 35 % in lignina od 10 % do 20 %. Velik del biomase lahko pretvorimo v biogorivo ali v poceni vir energije za mikrobiološko fermentacijo in produkcijo encimov. V nadaljevanju opisano strukturo celuloze, hemiceluloze in lignina prikazuje slika 1-1. Hemiceluloza je polimer, ki je sestavljen iz različnih monomernih enot. Polimer sestavljajo pentoze, heksoze in karboksilne kisline, ki se lahko v biokonverzijskih procesih pretvorijo do etanola. Struktura hemiceluloze je razvejana in sestavljena iz naključno razporejenih amorfnih območij. V lignocelulozni biomasi je hemiceluloza z vodikovimi vezmi povezana z molekulami celuloze, medtem ko jo z ligninom vežejo fizične interakcije in kovalentne vezi. Lignin je tretji najbolj razširjen naravni polimer. S hemicelulozo sta povezana z esterskimi vezmi, zato je ta kompleks zelo odporen na kemijsko in encimsko obdelavo. Lignin je aromatični heteropolimer, ki stenam rastlinskih celic daje oporo in odpornost na napade patogenih organizmov. V večjih količinah ga najdemo v mehkejših vrstah lesa [6]. 1

14 a) b) c) Slika 1-1. Struktura a) celuloze, b) hemiceluloze in c) lignina [7] Celuloza je najpogostejša organska spojina. Je polimer, ki je sestavljen iz monomerov, iz glukoznih enot z molekulsko formulo C6H11O5, ki so med seboj povezane z β-1,4- glikozidno vezjo (slika 1-2) [1]. Stopnja polimerizacije je med in 15000, odvisno od vira celuloze [8]. Opisana ciklična struktura ni planarna, ampak v najstabilnejši konformaciji hidroksilne skupine ležijo ekvatorialno na ravnino obroča. Slednje se obnašajo kot alkoholi, v baznih raztopinah pa kot kisline in tvorijo soli. Po tvorbi soli lahko molekula oteče, gre skozi polimorfne tranzicije in derivatizacije, lahko se delno raztopi [1]. Vsak monomer ima tri hidroksilne skupine, ki lahko s kisikovimi atomi sosednjih obročev tvorijo intra- in intermolekularne vodikove vezi. Slednje predstavljajo povezavo med dolgimi verigami in s tem stabilizirajo strukturo. Posledica je visoka aksialna togost, zato so odlična opora drevesom, drugim rastlinam in živalim. Vodikove vezi hkrati narekujejo zgradbo, formiranje kristalov in mehanske lastnosti [8]. Slika 1-2. β-1,4-glikozidna vez med dvema molekulama glukoze [9] Med biosintezo se najprej z van der Waalsovimi in intermolekularnimi vodikovimi vezmi povežejo vzporedne verige, ki tvorijo elementarno obliko fibrilov. Ti tvorijo mikrofibrile, ki 2

15 imajo premer od 5 nm do 50 nm in v dolžino merijo nekaj mikronov. Od tu naprej se združujejo v makrofibrile. Celulozna vlakna so sestavljena iz urejenih oz. kristaliničnih in neurejenih oz. amorfnih območij [8]. Amorfna območja niso nujno neurejena. V literaturi smo zasledili raziskavo o visoko urejeni strukturi, ki ni bila kristalinična, saj so s pomočjo analiz izmerili nizek indeks kristaliničnosti in jo uvrstili v amorfno območje. S pomočjo rentgentske praškovne difrakcije (XRD) so iz orientacijskega parametra ugotovili visoko stopnjo orientacije, saj so na površini molekule zelo močno orientirane. To poveča uporabnost v konstrukciji nanokompozitov [10]. Zaželjeno je, da se nanoceluloza, ki jo izoliramo, nahaja v urejenih območjih. Poznamo štiri večje polimorfoze kristalinične celuloze. To so celuloza I, celuloza II, celuloza III in celuloza IV. Celulozo I lahko imenujemo naravna celuloza, ker jo vsebujejo les, rastline, plaščarji, ali proizvajajo alge in bakterije. Lahko jo pretvorimo v celulozo II ali III. Celuloza II ima monoklinsko strukturo in velja za najstabilnejšo. S kemijsko obdelavo lahko iz celuloze I in II dobimo celulozo III, s toplotno obdelavo pa celulozo IV [8]. Astruc J., Nagalakshmaiah M., Laroche G. in ostali so celulozo I iz stebelnih vlaken lana pretvorili v celulozo II. Pri tem so vlakna obdelali po značilnem postopku obdelave, ki zajema alkalno odelavo pod napetostjo, da so mu izboljšali trdnost, lesk in afiniteto do barvanja [11]. Odvisno od vira celuloze, ima celuloza I dve različni polimorfozni obliki, ki obstajata hkrati v različnih deležih. To sta triklinska (Iα) in monoklinska (Iβ) [8]. Obe tvorita strukturo, kjer so molekule med seboj povezane z vodikovimi vezmi in tvorijo eno plast strukture, medtem ko plasti med seboj niso povezane z vodikovimi vezmi. Razlikujeta se v postavitvi teh plasti [12]. Iα se v večjih deležih pojavlja v algah in bakterijah, medtem ko je Iβ v večjih deležih prisotna v višje razvitih rastlinah in plaščarjih [8]. Pretvorbo iz Iα v Iβ dosežemo z hidrotermalno obdelavo v bazičnih raztopinah, z organskimi topili pod visokimi temperaturami ali s plinskim helijem [13]. Razpon vrst rastlin in živali, iz katerih lahko pridobivamo celulozo, je velik. Tipi vlaken izolirane celuloze se razlikujejo glede na dva glavna faktorja, in sicer glede na biosintezo mikrofibrilov kristalinične celuloze, kar je odvisno od vira celuloze, in od postopka izolacije celuloznih delcev iz mikrofibrilov. Ostali faktorji, ki vplivajo na mehanske lastnosti naravnih vlaken so kemijska kompozicija, lokacija vlaken v rastlini, zrelost rastlin, postopek separacije, mikroskopski in molekularni šumi, podnebje in prst, kjer se rastlina nahaja [8]. 1.3 Nanoceluloza Celulozna vlakna spadajo med naravna vlakna, ki so biološko razgradljiva, obnovljiva in cenovno ugodna. Dolge verige glukoznih monomerov imajo ostanke, ki so prostorsko usmerjeni izven verig. Ko se ostanki različnih verig spojijo, nastane mikrofibril. Vsak mikrofibril predstavlja niz v kristalu in od njihove razporeditve je odvisno ali je območje kristalinično ali amorfno. Dolžina celic in kristaliničnost v nanovlaknih dobro vplivajo na njihove mehanske lastnosti. So zelo močna, trdna in lahka vlakna s piezoelektričnimi lastnostmi in sposobnostjo, da se kot majhne enote združijo v večje, ki so bolj funkcionalne [8]. Celična stena tipičnega rastlinskega vlakna je debela od 4 µm do 6 µm in je sestavljena iz primarne, sekundarne in notranje terciarne stene. Primarna in terciarna stena spadata med tanjše in v debelino merita okoli 100 nm. Snopi nanovlaken v tem delu so v obliki neurejenih mrež. Sekundarna stena je debelejša, saj v debelino meri od 3 µm do 5 µm. Delimo jo na tri 3

16 sloje, S1, S2 in S3. S2 predstavlja glavni sloj, saj je najdebelejši in se v njem nahajajo vzporedni snopi in lamele nanovlaken. Njihova usmerjenost pod ostrim kotom proti osi vlaken vpliva na boljše mehanske lastnosti. Nanocelulozni snopi in lamele vsebujejo okoli 1 µm dolge in od 3 nm do 15 nm široke in debele nanofibrile. Slednji vsebujejo urejena območja, velika od 50 nm do 150 nm, in neurejena območja, velika od 25 nm do 50 nm. V primeru rastlinskih vlaken so elementarni nanofibrili in fibrilarni snopi ločeni z amofrno ligno-hemicelulozno podlago. Z izolacijo poskušamo odstraniti to podlago in kasneje vse stene in sloje, dokler ne pridemo do sloja S2, kjer se nahajajo nanofibrili. V primeru odstranitve podlage se med nanofibrili vzpostavi direktni stik, kar lahko povzroči spojitev sosednjih kristalnih območij [8]. Iz rastlinskih virov izolirano nanocelulozo delimo na kristalinično nanocelulozo in fibrilno nanocelulozo, kar prikazuje slika 1-3. Fibrilna nanoceluloza ima premer od 1 nm do 100 nm, je dolga, fleksibilna in ima zgradbo v obliki prepletene mreže, kjer se prepletajo kristalinična in amorfna območja. Zaradi njene nekaj mikrometrov dolge strukture jo lahko imenujemo tudi fibrilna mikroceluloza. S kristalinično nanocelulozo označujemo ravne palične oblike, ki v premer merijo od 5 nm do 20 nm. Dolge so od 100 nm do 500 nm in imajo visoko kristaliničnost [14]. a b Slika 1-3. Kristalinična a) [15] in fibrilna b) [16] nanoceluloza Viri nanoceluloze Nanocelulozo lahko pridobivamo iz lesa, drugih rastlin, kmetijskih pridelkov in industrijskih stranskih proizvodov. V surovih materialih npr. v lesu najdemo od 40 % do 50 %, v bombažnih vlaknih do 90 %, v grmih 30 % in v lupinarjih (lan) pa od 65 % do 70 % velik delež celuloze. Lesena vlakna so ravna in krajša (v dolžino merijo nekaj milimetrov), bombažna so zavita in daljša (v dolžino merijo nekaj centimetrov), vlakna lupinarjev pa so ravna in okrogla. Vlakna so široka od 15 µm do 30 µm [8]. Celulozo so izolirali tudi iz lupin sadja pomelo. Z alkalno in kemijsko obdelavo so uspešno odstranili lignin in hemicelulozo. Za izolirana vlakna so ugotovili visoko sposobnost vezanja vode in olja, zato bi lahko izolirano celulozo uporabili kot stabilizator hrane in farmacevtski dodatek [17]. Prav tako so primerjali celulozna vlakna, pridobljena iz svežega in obdelanega lesa (iverne plošče). Ugotovili so, da so v obeh primerih izolirana vlakna nanokristalinična in primerljive kakovosti. To predstavlja potrditev, da bi lahko ostanke kot je pohištvo iz ivernih plošč uporabimo kot vir celuloze [18]. Nanokristalinična vlakna so s kislinsko obdelavo uspeli izolirati iz lupin pistacije [19], sladkorja na palminih deblih [20], slivovih koščic [21], 4

17 Pri določenih rodovih bakterij se celulozna vlakna izločajo ekstracelularno. Zaradi podobnosti strukture med celulozo proizvedeno iz rastlin in lesa in celulozo proizvedeno z bakterijami obe uvršamo k biološki celulozi ali biocelulozi. Kljub temu med njima obstajajo določene razlike. Mikrofibrile, ki jih z biosintezo celuloze proizvajajo bakterije, odraža večja kristaliničnost, višji elastični moduli, večja poroznost, višja stopnja polimerizacije in večja možna kapaciteta zadrževanja vode. Ker so vlakna v primerjavi z vlakni iz rastlinskih materialov v obliki dokaj čistih celuloznih vlaken, nadaljno kemijsko odstranjevanje lignina in hemiceluloze ni potrebno. Vlakna imajo premer od 20 nm do 100 nm in lahko tvorijo različna omrežja nanovlaken. Zaradi opisane strukture in lastnosti imajo ta vlakna velik potencial za uporabo kot biomedicinski in inženirski material. Primer predstavlja iz kisa izolirana bakterija Gluconoacetobacter xylinus. Slednja proizvaja celulozo, za katero so ugotovili kristalinično obliko celuloze I in dobro termično stabilnost [22]. V določenih vrstah alg kot so zelene, rumeno-zelene, sive, rdeče itn. v celičnih stenah najdemo mikrofibrile. Velika prednost pri proizvajanju je poraba ogljikovega dioksida, kot stranski produkt pa nastajanje oljnega biogoriva [8]. Ugotovili so, da je nanoceluloza iz tega vira zelo visoko kristalinična, saj so kristali v dolžino merili do 16 nm [23]. Nanocelulozo najdemo tudi v živalih, natančneje v plaščarjih. Njihov plašč je sestavljen iz celuloznih mikrofibrilov, ki so vgrajeni v beljakovinski matriks. Glede na vrsto plaščarjev obstajajo razlike v strukturi in procesu formiranja mikrofibrilov [8]. S termogravimetrično analizo (TGA) so ugotovili, da njihov plašč vsebuje od 65 % do 88 % velik delež celuloze. Z beljenjem so uspeli izolirati od 600 nm do 1500 nm dolga nanokristalinična vlakna [24] Praprot Eden izmed rastlinskih virov nanoceluloze je praprot. Praprotnice so višje razvite rastline, ki se ne razmnožujejo s semeni, ampak s sporami. Spadajo med necvetnice in imajo prave korenine, stebla in kompleksno zgrajene liste. Trenutno je od do obstoječih vrst praprotnic. Vrste se med seboj razlikujejo po obliki, razmnoževanju in habitatu. Najmanjše vrste v dolžino merijo od 1 cm do do 1,2 cm, največje oz. drevesne vrste pa od 10 m do 25 m. Ene vrste imajo liste zvite v spiralo, druge rastejo na vodnih površinah. Večina praprotnic poseljuje topla in vlažna tropska območja. Rastejo v razpokah skal, odprtih bregovih, na obrobjih gozdov Ena rastlina oz. sporofit je sestavljena iz stebla, listov in korenin [25]. Življenjski krog praprotnic je menjavanje generacij, kjer so vegetativne celice diploidi in spolne celice haploidi [26]. V času razmnoževanja se na spodnji strani listov iz trosovnikov sprostijo trosi, ki jih odnese veter ali padejo na tla. Na tla se pritrdi gametofit, ki vsebuje jajčeca in semenčice. Ob njuni zrelosti nastane zigot, ki se razvije v zarodek. Ko zraste in je večji od gametofita, postane samostojna rastlina. Ljudje nekatere praprotnice uporabljajo kot hrano, pomožno hranilo, notranjo in zunanjo dekoracijo hiš in zaradi hitrega razmnoževanja, mutacij in kratkega življenjskega kroga tudi za raziskovanje in učenje genetike [25]. 5

18 1.3.2 Načini izolacije nanoceluloze Celulozna vlakna so v osnovi strukturirana kot kompleks rigidnih mikrofibrilov, ki so vgrajeni v mehko strukturo lignina in hemiceluloze. Pri izolaciji s kemijsko obdelavo in mehanskimi silami delujemo na šibke točke v vlaknih. To so različne razpoke, pore, vozlišča, okvare, ki nastanejo s kompresijo in druge dislokacije v strukturi [8]. Pred mehanskimi postopki izolacije se izvede kemijska obdelava, saj s tem olajšamo fibrilacijo oz. izolacijo vlaken. Med priporočljive kemijske obdelave prištevamo alkalnokislinsko obdelavo, encimsko hidrolizo, ionske tekočine itn. S tem povečamo dostop do hidroksilnih skupin in notranjo površino celuloznih vlaken, izboljšamo kristaliničnost in zmanjšamo jakost vodikovih vezi. S slednjim povečamo reaktivnost vlaken, zato se vlakna boljše vgradijo v kompozit. Med mehanske postopke spada rafiniranje, visokotlačna homogenizacija, brušenje, intenzivna ultrazvočna obdelava, eksplozija s paro... Večkrat daje boljši rezultat kombinacija naštetih postopkov. Omenjeni postopki zahtevajo veliko energije, zelo zmanjšajo površino in dolžino vlaken in ob tem poškodujejo mikrofibrile, kar se odraža na nižji kristaliničnosti in polimerizaciji. Z alkalno obdelavo iz materiala odstranimo lignin, hemicelulozo in pektin. Sem spada proces beljenja in razgradnja materiala, pri čemer vlakna otečejo in je defibrilacija olajšana. Z oteklino zmanjšamo moč vodikovih vezi, zato za pretvorbo iz makrofibrilov v mikrofibrile porabimo manj energije. Razgradnja materiala pripomore k odstranitvi lignina iz celuloznih vlaken v raztopino, ki se potem spere z vodo. Pri tem se prekinejo ali poškodujejo vezi med ligninom in ogljikovimi hidrati, saj lignina drugače ne moremo odstraniti v celoti. Z beljenjem odstranimo nečistoče in izboljšamo odpornost vlaken proti porumenelosti in krhkosti [14]. V kislinsko obdelavo sta pogosto vključeni žveplova (VI) (H2SO4) in klorovodikova kislina (HCl). Kislinska hidroliza odstrani amorfna območja in poveča kristaliničnost vlaken. Na uspešnost obdelave vpliva koncentracija kisline, temperatura in čas stika [14]. Pri izolaciji iz kristalinične mikroceluloze so D. Bondeson, A. Mathew in K. Oksman spreminjali zgoraj naštete parametre in po dveh urah na temperaturi 80 C s 63.5 % koncentracijo H2SO4 pridobili nanokristalinično celulozna vlakna, ki so v dolžino merila od 200 nm do 400 nm, v širino manj kot 10 nm [3]. V literaturi so pri izoliranju nanoceluloze iz bananinih olupkov uporabili kombinacijo kemijske (alkalna obdelava, beljenje, kislinska obdelava) in mehanske (visokotlačna homogenizacija) obdelave. Uspeli so izolirati kristalinična vlakna nanovelikosti, ki niso vsebovala lignina in hemiceluloze. Visokotlačno homogenizirana vlakna so bila v primerjavi z mehansko neobdelanimi krajša in bolj kristalinična [27]. V nasprotju s temi vlakni so ob prisotnosti nizke koncentracije vodikovega peroksida in žveplove (VI) kisline iz agavinega prahu s segrevanjem na 120 C pod tlakom pare izolirali nanofibrilna vlakna. Vlakna niso bila kristalinična, ampak so bila sestavljena iz amorfnih območij [28]. V vzorcu se po sušenju majhni delci združijo v paličaste kristalinične strukture. Med sušenjem se preko hidroksilnih skupin formirajo vodikove vezi, poveča se tudi površinska napetost vlaken [29]. 6

19 1.4 Hipoteze, namen in cilji V diplomskem delu smo želeli izolirati mikro in nanocelulozo iz rastlinskih materialov, natančneje praproti Polypodiopsida. Cilj je bil z optimiziranim postopkom izolacije iz praproti izolirati celulozna vlakna mikro in nanovelikosti, pri čemer smo jih morali ločiti od preostalih organskih molekul kot so hemiceluloza in lignin. Namen diplomskega dela je bil z izolacijo pridobiti mikro in nanocelulozo iz cenejših in dostopnejših materialov kot je praprot. Izolirana vlakna kot primes k drugemu materialu izboljšajo lastnosti nastalega kompozita in mu zvišajo vrednost. Z nanocelulozo lahko pridobimo veliko, saj jo lahko proizvajamo trajnostno in izoliramo iz obnovljivih virov. Predpostavili smo, da bomo z optimizacijo postopka pridobili boljša nanovlakna, kot če optimizacije ne bi uporabili. Ker bomo postopek spremenili večkrat, pričakujemo različne velikosti vlaken glede na postopek. 7

20 2 Metode dela in materiali 2.1 Laboratorijske metode Rastlinski material smo najprej mehansko obdelali. Celulozo smo izolirali z alkalno in kislinsko obdelavo, obdelavo z H2O2 in s H2SO4. Natančen postopek dela je opisan v poglavju 3.1. Po obdelavi smo vzorce karakterizirali z naslednjimi karakterizacijskimi metodami. S Fourierjevo transformacijsko infrardečo spektroskopijo (FTIR), s termogravimetrično analizo (TGA), z diferenčno dinamično kalorimetrijo (DSC), z dinamičnim sipanjem svetlobe (DLS), z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) in z energijsko disperzijsko spektrometrijo (EDS) Karakterizacijske laboratorijske metode Fourierjeva transformacijska infrardeča spektroskopija (FTIR) Pri FTIR spektroskopiji je vzorec izpostavjen radiaciji čez določene valovne dolžine ali valovnega števila v infrardečem območju.. Vsaki molekulski kompleks pod elektromagnetno radiacijo absorbira določeno količino energije v določenem valovnem številu. Absorbirana energija ustreza vibracijskim in orientacijskim premikom molekul oz. vezem v funkcionalnih skupinah, s čimer lahko molekulo karakteriziramo in posledično analiziramo strukturo vzorca. Spekter absorbirano energijo prikazuje kot signale oz. vrhove [30]. Kemijsko strukturo in prisotne funkcionalne skupine smo analizirali s FTIR analizo. Posušen vzorec smo zdrobili in ga skupaj s prahom KBr stisnili v tableto, ki smo ji s spektrometrom Perkin Elmer 1600 posneli FTIR spekter. Spekter smo posneli v infrardečem območju z valovnim številom od 50 cm -1 do 4000 cm Termogravimetrična analiza (TGA) Termogravimetrična metoda spada med termične metode, kjer analiziramo spremembe v masi vzorca v odvisnosti od temperature ali časa. Med analiziranjem konstantno zvišujemo temperaturo hkrati se masa vzorca manjša. Rezultat je v obliki krivulje, ki predstavlja izgubo mase ob določenih temperaturah. Glede na procese, ki se zgodijo pri določenih temperaturah, lahko iz rezultata ugotovimo ali je šlo za desorpcijo, absorbcijo, sublimacijo, izparevanje, oksidacijo, redukcijo, razgradnjo [31]. S TGA smo analizirali termično stabilnost celuloznih vzorcev. Vzorce smo v analizatorju TGA/DSC 1, STARe System, Mettler Toledo segreli od 30 C do 600 C po 10 C/min. Vse meritve so bile izvedene pod plinskim tokom v dušikovi atmosferi, da smo preprečili termoksidativno razgradnjo Diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC) Diferenčna dinamična kalorimetrija (DSC) je termoanalitična metoda, ki meri razliko v količini toplote, ki jo dovedemo vzorcu in referenčni snovi. Z njo analiziramo toplotne tranzicije, kristalizacijo in oksidacijo polimerov in tekočih kristalov. Rezultat analize je krivulja, ki predstavlja toplotni tok v odvisnosti od temperature. Proces taljenja je endotermni proces in predstavlja glavni vrh krivulje, to imenujemo temperatura taljenja. Ker imajo molekule več prostora za premikanje, se molekule pred tem preuredijo iz amorfne oblike v kristalinično in vzorec postane bolj viskozen. Gre za eksotermni proces, kar se na krivulji odraža z vrhom, to imenujemo temperatura kristalizacije [32]. 8

21 Termično obnašanje izoliranih celuloznih vzorcev smo analizirali pod enakimi pogoji kot TGA analizo Dinamično sipanje svetlobe (DLS) Dinamično sipanje svetlobe (DLS) je metoda, ki se uporablja za analiziranje gibanja delcev, najpogosteje nanodelcev. Pri merjenju skozi suspenzijo ali raztopino potuje žarek svetlobe določene intenzitete in osvetli vzorec. Svetlobni signal se zbere na detektorju, ki je postavljen pod določenim kotom. Iz spektra, na katerem so prikazani signali gibanja delcev, lahko zaradi Stokes Einsteinove zveze razberemo velikost delca [33]. Preko gibanja delcev smo analizirali velikost delcev. Najmanjše delce vzorca smo dispergirali v vodi in jih analizirali s pomočjo Malvern Zetasizer Nano series. Analiza enega vzorca je potekala 50 s pri temperaturi 25 C Vrstični elektronski mikroskop (SEM) Analiza z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) se uporablja pri analizi površine materialov, njihovih delcev in vlaken. Rezultat analize je v obliki slike, ki prikazuje podrobnosti strukture merjenega vzorca [34]. S SEM analizo smo analizirali površino in velikost delcev v izoliranih vzorcih. Izvedli smo jo z vrstičnim elektronskim mikroskopom (FE, SEM SIRIN, 400 NC, FEI), pri čemer smo pred analizo vzorce prevlekli z zlatim premazom Energijsko disperzijska spektrometrija (EDS) Z energijsko disperzijsko spektrometrijo (EDS) merimo elementno kompozicijo vzorca [35]. Vzorec merimo v vakuumski komori, kjer ob sipanju snopa elektronov po površini delcev nastanejo signali, ki jih zaznajo detektorji. Rezultat je spekter signalov zaznanih elementov [36]. Vzorec smo proučevali pod enakimi pogoji kot SEM analizo. 2.2 Rastlinski material V diplomskem delu smo celulozo izolirali iz ene vrste rastlinskega materiala. Uporabili smo praprot Polypodiopsida, ki je prikazana na sliki 2-1. Za stebla teh praproti so značilni spiralno urejeni veliki listi. Na spodnji strani listov se nahajajo trosovniki [37]. Slika 2-1. Praprot Polypodiopsida [38] 9

22 3 Eksperimentalni del 3.1 Postopek izolacije nanoceluloze iz rastlinskih materialov Nanocelulozo smo izolirali na tri različne načine. Pri prvem postopku smo 4,15 g vzorca najprej z mlinom zmleli na majhne koščke. Slika 3-1 prikazuje material po in pred mehansko obdelavo. a) b) Slika 3-1. Material pred a) in po b) mehanski obdelavi Pripravljen material smo najprej obdelali alkalno, kjer smo uporabili natrijev hidroksid (NaOH). Zdrobljen material smo potopili v pripravljeno 2 % vodno raztopino NaOH. Pri tem smo upoštevali razmerje material:naoh = 1:10 in v 1000 ml časi pripravili približno 400 ml raztopine. Čašo smo na predhodno pripravljeni oljni kopeli segrevali 24 ur in ob konstantnem mešanju vzdrževali temperaturo 80 C. Čašo smo imeli pokrito s folijo, da smo preprečili izhlapevanje. Material med alkalno obdelavo prikazuje slika 3-2. Slika 3-2. Alkalna obdelava materiala Naslednji dan smo material s pomočjo cedila spirali z destilirano vodo do nevtralne ph vrednosti. Sledilo je razbarvanje oz. beljenje vzorca z vodikovim peroksidom (H2O2), kar prikazuje slika 3-3. Ker se je volumen materiala po alkalni obdelavi zmanjšal, smo za ta del potrebovali približno 100 ml 5 % vodne raztopine H2O2. Material smo prenesli v 600 ml čašo in ga prelili s 100 ml vodne raztopine H2O2. Čašo smo postavili v oljno kopel in 4 ure ob konstantnem mešanju vzdrževali temperaturo 80 C. Tudi tokrat smo imeli med segrevanjem pokrito čašo. Po štirih urah smo material ponovno spirali do nevtralne ph vrednosti in ga čez noč pokritega pustili v destilirani vodi. 10

23 Slika 3-3. Obdelava materiala z H2O2 Naslednji dan smo material kislinsko obdelali. Za kislinsko obdelavo smo potrebovali 100 ml 2 % vodne raztopine klorovodikove kisline (HCl). Material smo skupaj z vodno raztopino HCl v s folijo pokriti 600 ml čaši 4 ure ob konstantnem mešanju segrevali na temperaturi 80 C. Na sliki 3-4 je prikazan material med obdelavo s HCl. Po 4 urah smo ponovno spirali do nevtralne ph vrednosti in ga čez noč pustili potopljenega v destilirani vodi. Slika 3-4. Kislinska obdelava materiala Četrti dan smo material prenesli v čašo, kjer smo k materialu dodali 50 ml destilirane vode. Čašo smo postavili v hladno kopel in v njo po kapljicah dodajali 28 ml koncentrirane žveplove (VI) kisline (H2SO4). Nato smo čašo postavili v oljno kopel s temperaturo 50 C in ob konstantnem mešanju segrevali 1 uro. Na sliki 3-5 je prikazan material med obdelavo s H2SO4. Po segrevanju smo material spirali do nevtralne ph vrednosti in na koncu s cedilom material ločili od tekočine. Material smo na koncu posušili v sušilniku. Posušen vzorec je tehtal 0,050 g in je prikazan na sliki 3-6. Slika 3-5. Obdelava materiala s H2SO4 11

24 Pri prvem postopku, ki je opisan zgoraj, je bila najdaljša alkalna obdelava, saj je trajala 24 ur, medtem ko sta obdelava s H2O2 in kislinska obdelava trajali 4 ure. Pri drugem in tretjem načinu smo uporabili podoben postopek. Poleg časovnih sprememb zgoraj opisanih obdelav, smo zmanjšali tudi mehansko obdelavo, saj je bil prvič material zmlet na premajhne koščke in je uhajal skozi cedilo. Pri drugem načinu smo 4,50 g materiala obdelali z 24 ur trajajočo kislinsko obdelavo, alkalna obdelava in obdelava s H2O2 sta trajali 4 ure. Na koncu smo dobili 0,497 g posušenega materiala. Material je pri tretjem načinu obdelave na začetku tehtal 4,80 g. Obdelali smo ga s 24 ur trajajočo obdelavo s H2O2 in 4 ure trajajočo kislinsko in alkalno obdelavo. Posušen vzorec je po sušenju tehtal 0,165 g. Zgoraj opisane postopke pregledno prikazuje tabela 3-1. Slika 3-6. Posušen vzorec po celotni obdelavi Tabela 3-1. Čas obdelav glede na postopek Postopek Alkalna obdelava (NaOH) Obdelava s H 2O 2 Kislinska obdelava (HCl) Obdelava s H 2SO ur 4 ure 4 ure 1 ura 2. 4 ure 4 ure 24 ur 1 ura 3. 4 ure 24 ur 4 ure 1 ura 3.2 Analize vzorcev Vzorce smo glede na zaporeden postopek izolacije imenovali NC1, NC2 in NC3, ki ustrezajo izolirani nanocelulozi po 1., 2., in 3. postopku. Vzorcem smo kemijsko strukturo in prisotne funkcionalne skupine karakterizirali s FTIR analizo. S termičnima metodama, TGA in DSC, smo analizirali termično stabilnost in obnašanje celuloznih vzorcev. Z analiziranjem gibanja delcev smo z DLS ugotovili velikost delcev. S SEM površino in velikost delcev, z EDS pa relativno kemijsko sestavo vzorcev 12

25 4 Rezultati in diskusija 4.1 FTIR S FTIR analizo smo določili funkcionalne skupine v strukturi vzorcev. Kot opisano v poglavju 1.2, se v strukturi celuloze nahajajo določene funkcionalne skupine, ki smo jih lahko s pomočjo FTIR spektrov prepoznali in potrdili, da je v naših vzorcih celuloza. V vseh treh primerih smo dobili podobne spektre, ki so značilni za celulozo. Med seboj se razlikujejo le po izrazitosti vrhov. Spektri so prikazani na slikah 4-1, 4-2 in 4-3. Na vseh spektrih smo našli izrazit vrh pri 3435 cm -1 (NC1), 3402 cm -1 (NC2) in 3414 cm -1 (NC3), ki je značilen za vibriranje OH skupin. To dokazuje prisotnost inter- in intramolekularnih vodikovih vezi, ki omogočajo povezavo med verigami in stabilnost strukture [39]. Na spektrih vidimo izrazita vrhova vzorcev pri 2925 cm -1 za NC1 in 2924 cm -1 za NC2 in malo manj izrazit vrh vzorca NC3 pri 2922 cm -1. Vrhovi nakazujejo na vibriranje in raztezanje C-H vezi v celulozi in hemicelulozi [40]. Ker vrh pri tretjem vzorcu ni tako izrazit, lahko sklepamo, da smo v tem primeru izločili več hemiceluloze kot v ostalih primerih. Vzrok je podaljšana obdelava z vodikovim peroksidom. 6,75 %T 6,6 6,45 6,3 2356, , , , , , , ,57 aromatski obroč 918,16 6, ,92 CO 1164, , ,74 COC 5, ,17 hemiceluloza 669,33 celuloza I β 5,7 541,06 522,73 5,55 OH _05_03_NC1_Monika Slika 4-1. FTIR spekter za NC /cm 13

26 Prav tako smo s tem izločili lignin in ostale ekstrakte, kar prikazuje manj izrazit vrh pri 1507 cm -1 na spektru za NC3 v primerjavi z vrhovoma za NC1 in NC2 pri 1509 cm -1 in 1511 cm -1. Izrazit vrh na tem mestu dokazuje raztezanje C=C vezi, torej prisotnost aromatskega obroča in posledično lignina [19]. Še enkrat v tretjem primeru opazimo manj izrazit vrh pri 1647 cm -1 v primerjavi z izrazitostjo vrhov pri 1629 cm -1 za NC1 in 1648 cm -1 za NC2. Vrhovi ustrezajo vodi, ki jo v celulozo vežejo intermolekularne vodikove vezi [41]. V vseh primerih smo zasledili skupino treh vrhov od 1010 cm -1 do 1164 cm -1 (NC1), od 1022 cm -1 do 1161 cm -1 (NC2) in od 1059 cm -1 do 1162 cm -1 (NC3), kar nakazuje na skupine CH, CH2 in OH, ki skupaj tvorijo C-O-C vez in povzročajo vibracije v skeletu piranoznega obroča [40]. V tretjem primeru smo našli zelo izrazit vrh pri 668 cm -1, v drugih dveh primerih sta vrha pri 669 cm -1 za NC1 in 671 cm -1 za NC2 manj izrazita. Vrh se na tem mestu pojavi zaradi prisotnosti β-glikozidne vezi, ki povezuje glukozne enote v verigi. S tem smo določili celulozo Iβ [40]. 6,3 %T 6,2 6, , ,86 5,9 5,8 5,7 1696, ,24 CO 1511, , , ,36 aromatski obroč 895,97 5,6 5,5 5,4 2924, ,73 hemiceluloza 1161, , ,32 671,26 COC celuloza I β 5,3 OH, , _05_03_NC2_Monika Slika 4-2. FTIR spekter za NC /cm 14

27 94 %T , ,77 hemiceluloza 1647,28 CO 1507, ,28 aromatski obroč 1162, , ,93 82 COC 668,36 celuloza I β ,15 OH NC Slika 4-3. FTIR spekter za NC /cm 4.2 TGA S termogravimetrično analizo smo opazovali spreminjanje mase vzorca ob konstantnem segrevanju. Glede na izgubo mase pri določenih temperaturah smo lahko določili vsebino vzorcev in jih med seboj primerjali. Spektri vseh vzorcev, ki jih prikazujejo slike 4-4, 4-5 in 4-6, se ne razlikujejo veliko. V vseh primerih krivulja na začetku od 35 C do okoli 120 C prikazuje izgubo mase zaradi izparevanja vode. Najprej izpari površinska, nevezana oz. fizično absorbirana voda [42]. Pri temperaturi 120 C pa izpari še voda, ki je pritrjena v strukturo kemijsko absorbirana oz. je vezana z intermolekularnimi vodikovimi vezmi [43]. Ugotovitev sovpada z rezultati FTIR analize, saj smo tudi tam dokazali prisotnost vode. Voda se lahko v strukturo celuloze veže na mesta, kjer se nahajajo sulfatna amorfna območja in kjer smo odstranili hemicelulozo in lignin. Pri prvem vzorcu, kjer smo v postopku podaljšali alkalno obdelavo, lahko na spektru opazimo večjo izgubo vode kot v ostalih dveh primerih. Tudi v literaturi so opazili večjo izgubo vode pri alkalni obdelavi, saj ta obdelava strukturo celuloze bolj odpre [29]. 15

28 Slika 4-4. TGA spekter za NC1 Drug korak degradacije se začne pri okoli 230 C, ko pride do termične depolimerizacije hemiceluloze [44], ki za vse vzorce traja do okoli 320 C. Najprej pride do dehidracije in cepitve stranskih verig hemiceluloze. V srednjem delu je izguba mase največja, kar potrjuje strm naklon krivulje. Pri teh temperaturah potekajo reakcije dekarbonilacije, dehidracije in dekarboksilacije [42]. Iz posnetih spektrov vidimo, da sta naklona krivulj pri NC1 in NC3 na tem mestu v primerjavi z NC2 strmejša. Iz tega lahko sklepamo, da smo s podaljšano kislinsko obdelavo izločili več hemiceluloze kot v ostalih primerih. Nazadnje se dekompozicija upočasni, dokler se preostanek ne spremeni v oglje [42]. Slika 4-5. TGA spekter za NC2 Piroliza celuloze se začne pri višji temperaturi, saj je njena struktura v primerjavi s hemicelulozo, ki je sestavljena iz amorfnih območij in različnih monomerov, bolj urejena in stabilna [45]. V temperaturnem območju med 230 C in 280 C pričnejo razpadati kristalinična območja. V tem območju je krivulja v primerjavi z ostalima položnejša v drugem primeru, kar ustreza manjši izgubi mase. Iz tega lahko sklepamo na manjši delež kristaliničnih območij v drugem primeru, kjer smo vzorec obdelali z daljšo kislinsko obdelavo. Rezultati potrjujejo, da s kislinsko obdelavo povečamo količino amorfnih območij. Pri okoli 300 C se začne depolimerizacija, dehidrogenizacija in dekarbonizacija [42]. Do okoli 420 C razpadejo ostanki ogljikovodikov in monometrične glukopiranozne enote v proste radikale [40]. Lignin razpada pri visokih temperaturah in od organskih komponent velja za termično najstabilnejšega. Zaradi različne razporeditve obročev po strukturi poteka dekompozicija lignina v širokem temperaturnem območju [45]. Dekompozicija se začne z izhlapevanjem, taljenjem in degradacijo polisaharidnih ostankov, kar rezultira v ohlapno vezane funkcionalne skupine. V drugem delu izgubimo največ mase, saj se prekinejo vezi med etri in arilnimi skupinami. Nazadnje pride še do sekundarne pirolize, kjer se prekinejo še različne preostale vezi [42]. 16

29 Slika 4-6. TGA spekter za NC3 Termogravimetrične študije kažejo posamezne deleže ostankov hemiceluloze, lignina in celuloze. Lignina je pri 900 C ostal 45,7 % delež začetne mase, kar predstavlja največji delež. V primeru hemiceluloze je pri 900 C ostal 20 % delež začetne mase, medtem ko je ostanek celuloze pri 400 C znašal 6,5 % [45]. Sklepamo lahko, da večino mase v naših ostankih predstavlja lignin, sledi mu hemiceluloza in na koncu celuloza. Pri temperaturi 600 C je v vzorcih ostal 33,45 %, 38,64 % in 31,45 % (NC1, NC2 in NC3) delež začetne mase. Ostanek predstavljajo anorganske snovi [46] in negorljivi sulfatni estri [40]. 4.3 DSC Z DSC analizo smo dobili dodaten vpogled v termično stabilnost vzorcev. Spektre vzorcev, ki se med seboj malo razlikujejo, prikazujejo slike 4-7, 4-8 in 4-9. Slika 4-7. DSC spekter za NC1 V začetku do 120 C izpari voda. Tukaj v primerjavi s prvim in drugim primerom opazimo manjši spust krivulje v tretjem primeru, torej tretji vzorec vsebuje manj nevezane vode. Krivulje imajo poleg glavnega še več manjših vrhov in padcev, ker je vzorec sestavljen še iz drugih komponent, ki v strukturi različno vežejo in zadržujejo vodo [29]. Izguba mase je v celotnem diagramu razporejena čez celotno temperaturno območje temperature, ker je vzorec sestavljen iz celuloze, lignina, hemiceluloze, pektina in drugih kompleksov, ki imajo različne talilne temperature. Največ celuloze in hemiceluloze se razgradi v območju C, kjer spektra vzorcev NC2 in NC3 prikazujeta velik nihaj krivulje. Vrh dosežeta pri temperaturi okoli 250 C. V prvem primeru pride do enakega nihaja pri temperaturi 270 C. Najostrejši in največji je v 17

30 tretjem primeru. Nad temperaturo 400 C na prvih dveh spektrih in nad 350 C pri tretjem spektru opazimo dolg nihaj krivulje, ki ustreza razpadanju lignina. Slika 4-8. DSC spekter za NC2 Sklepamo lahko na večjo termično stabilnost prvega vzorca, ker razgradnja poteka pri višji temperaturi kot v ostalih primerih. Posledično je njena struktura bolj kristalinična in pravilna, kar smo naredili z alkalno obdelavo, saj smo tako izločili necelulozne komponente in preostala struktura se je preuredila v pravilnejšo. Slika 4-9. DSC spekter za NC3 Sulfati, ki smo jih v kompleks vnesli z obdelavo z žveplovo kislino, se vežejo na hidroksilne skupine. Zaradi velikosti in obsežnosti sulfatnih skupin se struktura celuloze preuredi. Sulfati se obnašajo kot katalizatorji hidrolize piranoznih vezi, ki povezujejo enote celuloze v daljše verige. Zaradi steričnega vpliva se v strukturi spremeni tudi orientacija. Vse skupaj povzroči razgradnjo daljših verig na manjše, ki so potem še lažje in hitreje razgrajene do nanoceluloze [29]. S kislinsko obdelavo povečamo količino amorfnih področij, ki se v primerjavi s kristaliničnimi lažje razgradijo. Potrditev smo dobili z rezultati TGA analize. Če vzorec ni obdelan, se to zgodi kasneje oz. se ne razgradi do nanodelcev. Da je zaradi sulfatov razgradnja potekala hitro, vidimo po ožjem območju, v katerem se je vzorec razgradil, kar je najbolj opazno v tretjem primeru. 18

31 4.4 DLS Premeri izmerjenih delcev z DLS analizo so v večini primerov večji kot izmerjeni z mikroskopskimi analizami. Do razlike pride, ker z mikroskopom merimo suhe delce, pri DLS analizi pa moramo imeti delce dispergirane v tekočini. Pri tem se poveča hidrofilnost in agregacija delcev [40]. Za DLS analizo smo uporabili najmanjše delce, da smo jih dispergirali v vodi. Kljub temu je bilo veliko izbranih delcev prevelikih, ki so se skoraj takoj posedli. Za vsak vzorec smo izmerili povprečno velikost delcev, ki je za NC1 merila 1712 nm, NC nm in NC nm. Slika DLS spekter za NC1 Pri prvem vzorcu je iz razlike med povprečno velikostjo in izmerjeno velikostjo delcev, ki jih prikazuje slika 4-10, razvidno, da imamo v raztopini prisotne tudi večje delce. Največ izmerjenih delcev je velikih okoli 200 nm, ena tretjina meri okoli 83 nm. Slika DLS spekter za NC2 19

32 Enako kot pri prvem vzorcu je povprečna velikost v drugem primeru večja od velikosti, ki jih lahko razberemo iz spektra na sliki V raztopini se torej nahajajo večji delci. Največ izmerjenih delcev je velikih okoli 227,6 nm, ena tretjina je velika okoli 76,5 nm, nekaj delcev je velikih 877 nm. V tretjem primeru se povprečna velikost delcev od izmerjenih velikosti na spektru na sliki 4-12 razlikuje za okoli 5000 nm, kar je veliko več kot pri prvem in drugem vzorcu. V raztopini imamo lahko prisotno večjo količino večjih delcev, ali pa je velikost teh delcev večja kot v prvih dveh primerih. Izmerjeni delci se nahajajo v območju nm. Slika DLS spekter za NC3 Zaradi posedanja večine delcev v raztopini je bilo izmerjeno manjše število delcev. Iz rezultatov je razvidno, da smo najmanjše velikosti delcev dobili v tretjem primeru. Njihove količine ne poznamo, ker ne moremo določiti števila večjih delcev, ki se poleg izmerjenih nahajajo v raztopini. Primerjava količin majhnih delcev s prvim in drugim primerom zato ni mogoča. 4.5 SEM Z vrstičnim elektronskim mikroskopom smo dobili vpogled v površino izoliranih vlaken. V vzorcih smo našli zavita in ravna vlakna. Ena so bila natrgana, druga porozna. S posnetkov razberemo tudi velikost delcev, ki smo jih na vlaknih našli pri večjih povečavah. Na vlakna so bili pritrjeni vsak zase ali v obliki skupkov. Pri velikih povečavah smo delce tudi izmerili. Sliki 4-13 in 4-14 prikazujeta posnetke vzorca NC1 pri različnih povečavah. Dolžine vlaken nismo mogli izmeriti. Na sliki 4-13 a) vidimo ravna in nenatrgana vlakna, ki v širino merijo približno 30 µm. Na slikah 4-13 c) in d) pri 10000x povečavi vidimo dva primera delcev v obliki skupkov, ki v dolžino merijo približno 5 µm. Delci so na vlaknih razporejeni tudi v plasteh (slika 4-13 b)) ali so po vlaknih razpršeni (slika 4-14). Premer posameznih delcev in delcev združenih v skupke se nahaja med 100 in 400 nm. 20

33 a b c d Slika Posnetki SEM analize vzorca NC1 pri a) 5000x, b) 50000x, c) in d) 10000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC1 pri 20000x povečavi Pri vzorcu NC2 smo na slikah 4-15 a), b) in c) našli ravna natrgana, zavita nenatrgana in zavita porozna vlakna. Tudi tukaj nismo mogli izmeriti dolžine vlaken. Ravna vlakna so v širino merila od 10 do 20 µm, širine zavitih vlaken nismo mogli izmeriti. Poroznost na sliki 4-15 c) bi lahko nastala zaradi odtrganosti delcev, ki v premer merijo enako kot opažene luknje, tj. približno od 50 do 100 nm. Na sliki 4-15 d) vidimo od 80 do 900 nm velike delce, ki se nahajajo na površini vlaken. Slika 4-16 prikazuje rahlo načeto površino, na kateri so delci velikosti od 60 do 600 nm. 21

34 a b c d Slika Posnetki SEM analize vzorca NC2 pri a) 5000x, b) 5000x, c) 40000x in d) 20000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC2 pri 40000x povečavi Pri tretjem vzorcu smo na posnetkih našli ravna in razgibana vlakna, kar prikazujeta sliki 4-17 a) in b), ki sta bili posneti pri 5000x povečavi. Zaradi velike raznolikosti njihovih dimenzij nismo mogli izmeriti. Slika 4-17 c) prikazuje pri večji povečavi posneto sliko ravnega vlakna, na katerem smo zasledili veliko plast majhnih delcev. S slike 4-17 d) je razvidno povečano razgibano vlakno, na katerem smo našli zaključene združbe enako velikih delcev. Velikost omenjenih delcev smo pri x povečavi (slika 4-18) izmerili, in sicer se njihovi premeri nahajajo v območju nm. 22

35 a b c d Slika Posnetki SEM analize vzorca NC3 pri a) 5000x, b) 5000x, c) x in d) 80000x povečavi Slika Posnetki SEM analize vzorca NC3 pri x povečavi S pomočjo SEM analize smo ugotovili naravo površine izoliranih vlaken in določili velikost najmanjših delcev. Iz rezultatov je razvidno, da je bil tretji postopek najuspešnejši, saj smo dobili največ delcev najmanjših velikosti. Ker so analizirani delci nano-velikosti, lahko zaključimo, da smo v tem primeru dobili nanocelulozo. Za prvi in drugi vzorec lahko rečemo, da smo izolirali mikrocelulozo. 23

36 4.6 EDS Z EDS analizo smo dobili vpogled v kemijsko sestavo vzorca. Z mikroskopom smo za vsak vzorec naredili posnetek na dveh mestih. Eno mesto se nahaja na delcu, medtem ko je drugo na preostalem vlaknu. Slike 4-19, 4-21 in 4-23 prikazujejo posnetke z označenimi mesti merjenja. Spektre različnih mest smo nato primerjali, kar prikazujejo slike 4-20, 4-22 in V vseh spektrih so vidni izraziti vrhovi značilni za ogljik, kisik, dušik in zlato. Zlato je prisotno, ker smo z njim prevlekli vzorce, da smo dosegli večjo ločljivost. Iz spektrov lahko razberemo, da je na vseh posnetih mestih največ prisotnega ogljika, ki mu sledi kisik. Zaradi dehidracije je razlika v izrazitosti vrhov velika [47]. Slika Posnetek SEM analize vzorca NC1 pri 10000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in 2 C O N Slika Primerjava EDS spektrov za NC1 Pri vseh vzorcih smo opazili razliko v vsebnosti dušika. Zaznali smo ga le na delcih, ki jih na spektru prikazujejo rdeče krivulje, na vlaknih, ki jih prikazujejo rumeno obarvani deli, pa ne. Pri merjenju lahko pride do razlik zaradi različnih oblik delov, ki jih merimo. Delci so v našem primeru majhni in okrogli, medtem ko so vlakna dolge in ravne oblike. 24

37 Slika Posnetek SEM analize vzorca NC2 pri 40000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in 2 C N O Slika Primerjava EDS spektrov za NC2 Vzorci so bili merjeni pri nizki napetosti (5 kv), zato nekaterih elementov kot je žveplo nismo mogli zaznati. V vzorcih je lahko prisoten v amorfnih predelih, saj so tam hidroksilne skupine bolj izpostavljene esterifikaciji [48]. Slika Posnetek SEM analize vzorca NC2 pri 20000x povečavi z označenim mestom posnetih spektrov 1 in 2 25

38 C O N Slika Primerjava EDS spektrov za NC3 26