Direct sulfation of cellulose fibers using a reactive deep eutectic solvent to produce highly charged cellulose nanofibers

纤维素 纳米纤维 硫酸化 材料科学 深共晶溶剂 溶剂 化学工程 共晶体系 复合材料 高分子化学 高分子科学 有机化学 化学 生物化学 工程类 合金
作者
Juho Antti Sirviö,Jonne Ukkola,Henrikki Liimatainen
出处
期刊:Cellulose [Springer Science+Business Media]
卷期号:26 (4): 2303-2316 被引量:176
标识
DOI:10.1007/s10570-019-02257-8
摘要

Wood cellulose pulp was sulfated using a reactive deep eutectic solvent (DES). DES was prepared by heating sulfamic acid and urea together at 80 °C at a molar ratio of 1:4, 1:3, or 1:2. Sulfation of cellulose was performed by mixing dry cellulose fibers with DES at 80 °C, followed by heating at 150 °C for half an hour. Anionic charge as high as 3 mmol/g (degree of substitution of 0.68) was obtained with this simple chemical modification of cellulose at an elevated temperature using DES both as reaction media and reagent without any external solvent. The decrease in the urea content of DES improved the sulfation efficiency. In addition, the presence of urea led to the carbamation of cellulose to some extent. Cellulose sulfate (charge of 2.40 mmol/g) became a gel-like material in water, and after passing once through a microfluidizator, a highly transparent nanocellulose gel (transmittance of 0.1% solution at a visible light range was over 95%) was obtained. Sulfated cellulose nanofibers (SCNFs) exhibited a width of around 4 nm with a minor presence of elemental fibril aggregates (containing five or less elemental fibrils). SCNFs with high aspect ratio can have a potential end-use as a rheology modifier because of their high viscosity even at low concentrations or act as reinforcing additives.
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