Reversible Surface Engineering of Cellulose Elementary Fibrils: From Ultralong Nanocelluloses to Advanced Cellulosic Materials

材料科学 纤维素 纤维素乙醇 表面改性 结晶度 纤维 皂化 化学工程 复合材料 高分子化学 有机化学 化学 生物化学 工程类
作者
Meng Zhou,Dongzhi Chen,Qianqian Chen,Pan Chen,Guangjie Song,Chunyu Chang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (21): e2312220-e2312220 被引量:134
标识
DOI:10.1002/adma.202312220
摘要

Abstract Cellulose nanofibrils (CNFs) are supramolecular assemblies of cellulose chains that provide outstanding mechanical support and structural functions for cellulosic organisms. However, traditional chemical pretreatments and mechanical defibrillation of natural cellulose produce irreversible surface functionalization and adverse effects of morphology of the CNFs, respectively, which limit the utilization of CNFs in nanoassembly and surface functionalization. Herein, this work presents a facile and energetically efficient surface engineering strategy to completely exfoliate cellulose elementary fibrils from various bioresources, which provides CNFs with ultrahigh aspect ratios (≈1400) and reversible surface. During the mild process of swelling and esterification, the crystallinity and the morphology of the elementary fibrils are retained, resulting in high yields (98%) with low energy consumption (12.4 kJ g −1 ). In particular, on the CNF surface, the surface hydroxyl groups are restored by removal of the carboxyl moieties via saponification, which offers a significant opportunity for reconstitution of stronger hydrogen bonding interfaces. Therefore, the resultant CNFs can be used as sustainable building blocks for construction of multidimensional advanced cellulosic materials, e.g., 1D filaments, 2D films, and 3D aerogels. The proposed surface engineering strategy provides a new platform for fully utilizing the characteristics of the cellulose elementary fibrils in the development of high‐performance cellulosic materials.
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