Enhancement of the nanofibrillation of birch cellulose pretreated with natural deep eutectic solvent

深共晶溶剂 纤维素 溶剂 共晶体系 化学 肿胀 的 阳离子聚合 结晶度 热稳定性 产量(工程) 核化学 高分子化学 化学工程 有机化学 材料科学 复合材料 合金 工程类 结晶学
作者
Shu Hong,Yuan Yang,Panpan Li,Kaitao Zhang,Hailan Lian,Henrikki Liimatainen
出处
期刊:Industrial Crops and Products [Elsevier BV]
卷期号:154: 112677-112677 被引量:68
标识
DOI:10.1016/j.indcrop.2020.112677
摘要

In this study, we demonstrate a new bio-derived and non-toxic deep eutectic solvent composed of betaine hydrochloride (Bh) and glycerol (Gl) as a pretreatment medium for birch cellulose (Betula pendula) to prepare cellulose nanofibers (CNFs) using microfluidization. The co-solvent could readily penetrate into cellulose to swell the fibrillar structure and weaken the interaction within the hydrogen bond network. Moreover, the cationization of glycerol and cellulose by betaine hydrochloride further enhances the swelling process. All of these effects promote the nanofibrillation of cellulose and reduce the energy demand in CNF production. A high CNF mass yield of up to 72.5 % was obtained through co-solvent pretreatment using a Bh-to-Gl mole ratio of 1:2 at 150 °C for 1 h. The mole amount of betaine hydrochloride was noted to affect the nanofibrillation process and stability of the CNF suspension. The obtained CNFs possessed a cationic charge of 0.05–0.06 mmol/g, a diameter of 17–20 nm, and a degree of crystallinity of 67.7–74.4 %. The CNFs displayed good thermal stability comparable to that of the pristine cellulose. Thus, this study provides a green and efficient swelling strategy for producing CNFs with a low cationic charge density.
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