Modification of microcrystalline cellulose filler with succinic anhydride : effect of microwave and conventional heating

• Autorzy: Szefer E. , Leszczyńska A. , Pielichowski K.

Warianty tytułu

PL

Modyfikacja mikrokrystalicznej celulozy jako napełniacza polimerowego za pomocą bezwodnika bursztynowego : wpływ ogrzewania konwencjonalnego oraz mikrofalowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work the microcrystalline cellulose (MCC) filler was chemically modified by esterification with succinic anhydride(SA) in order to improve the compatibility of MCC with the hydrophobic polymer matrix. The effect of the microwave irradiation and conventional heating on the chemical structure, particle morphology and thermal stability of the cellulosic filler was evaluated by FTIR/ATR, TGA and light microscopy. The extent of surface modification of microcrystalline cellulose gradually increased with an increasing reaction time up to 90 min, and the effect was significantly pronounced under microwave irradiation as compared to conventional heating. A decreasing decomposition temperature was observed for the samples modified with SA as compared to the reference sample as a result of introducing functional side groups into the cellulose backbone and developing the surface of the MCC powder. A decrease in MCC particle sizes was observed as a result of chemical modification, especially under microwave irradiation, indicating partial hydrolysis of the amorphous regions of cellulose in an acidic environment. Smaller particles can be more equally dispersed in a polymer matrix. Applying microwave irradiation enhanced the efficiency of surface modification and produced MCC with a wider range of surface properties. Microcrystalline cellulose with adjusted surface properties can be applied as a reinforcing filler for fully biodegradable ‘green’ composites.

PL

Przedstawiono wstępne badania nad chemiczną modyfikacją mikrokrystalicznej celulozy przez estryfikację bezwodnikiem bursztynowym w celu poprawy jej kompatybilności z hydrofobowymi osnowami kompozytów polimerowych. Określono wpływ prowadzenia syntezy w polu promieniowania mikrofalowego oraz w warunkach ogrzewania konwencjonalnego na strukturę chemiczną, rozmiary cząstek i stabilność termiczną napełniacza celulozowego, stosując metody FTIR/ATR, TGA oraz mikroskopię optyczną. Efektywność estryfikacji MCC bezwodnikiem bursztynowym rosła z czasem reakcji do 90 min i była wyraźnie większa w warunkach pola promieniowania mikrofalowego w porównaniu z ogrzewaniem konwencjonalnym. Obserwowano obniżenie temperatur degradacji modyfikowanej MCC w porównaniu z materiałem niemodyfikowanym na skutek wprowadzenia bocznych grup funkcyjnych w łańcuch celulozy i rozwinięcia powierzchni ziaren MCC. Zmniejszenie rozmiarów ziaren napełniacza na skutek modyfikacji chemicznej, szczególnie w warunkach ogrzewania mikrofalowego, wskazywało na zachodzenie częściowej hydrolizy obszarów amorficznych celulozy w kwaśnym środowisku reakcji. Mniejsze cząsteczki potencjalnie umożliwiają uzyskanie bardziej równomiernej dyspersji napełniacza w osnowie polimeru. Prowadzenie reakcji estryfikacji w warunkach pola mikrofalowego umożliwia uzyskanie napełniacza o większym stopniu zmodyfikowania powierzchni, a przez to wytwarzanie MCC o szerszym zakresie właściwości powierzchniowych i jej zastosowanie jako napełniacza wzmacniającego w całkowicie biodegradowalnych kompozytach polimerowych.

Słowa kluczowe

EN

microcrystalline cellulose; surface modification; esterification; microwave; succinic anhydride; natural filler; biocomposites

PL

mikrokrystaliczna celuloza; modyfikacja powierzchniowa; estryfikacja; ogrzewanie mikrofalowe; bezwodnik bursztynowy; naturalne napełniacze; biokompozyt

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 1
• Strony: 25--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szefer E.

• Cracow University of Technology, Department of Chemistry and Technology of Polymers, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow, Poland

autor

Leszczyńska A.

• Cracow University of Technology, Department of Chemistry and Technology of Polymers, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow, Poland

autor

Pielichowski K.

• Cracow University of Technology, Department of Chemistry and Technology of Polymers, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Bledzki A.K., Faruk, O., Jaszkiewicz A., Cars from renewable materials, Kompozyty 2010, 10(3), 282-288.
• [2] Wei Zhang, Xinxing Zhang, Mei Liang, Canhui Lu, Mechanochemical preparation of surface-acetylated cellulose powder to enhance mechanical properties of cellulose-fillerreinforced NR vulcanizates, Composites Science and Technology 2008, 68, 2479-2484.
• [3] Usarat Ratanakamnuana, Duangduen Atongb, Duangdao Aht-Onga, Cellulose esters from waste cotton fabric via conventional and microwave heating, Carbohydrate Polymers 2012, 87, 84-94.
• [4] Hill C., Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes, Wiley, 2006.
• [5] Suvachitanont S., Ratanapan P., Evaluation of microcrystalline cellulose from corn cob for development to the pharmaceutical industry, TIChE International Conference, Paper Code: ms012, 2011.
• [6] Gaonkar S.M., Kulkarni P.R., Microcrystalline cellulose from coconut shells, ActaPolymerica 1989, 40(4), 292-294.
• [7] Castro A.D., Bueno J.H., Associacoes de celluloses microfina e microcristalinana compressao direta, Estudos preliminaries, RevistacieˆnciasFarmaceˆuticcas 1996, 15, 169-181.
• [8] Jain J.K., Dixit V.K., Varma K.C., Preparation of microcrystalline cellulose from cereal straw and its evaluation as a tablet excipient, Indian Journal of Pharmaceutical Science 1983, 45, 83-85.
• [9] Chen J.N., Yan S.Q., Ruan J.Y., A study on the preparation and properties of microcrystalline cellulose, Journal of Macromolecular Science, Pure and Applied Chemistry 1996, A33, 1851-1862.
• [10] Battista O.A., Level-off degree of polymerization. Relation to polyphase structure of cellulose fibers, Industrial & Engineering Chemistry 1956, 48, 333-335.
• [11] Xue Min Dong, Jean-Francois Revol, Derek G. Gray, Effect of microcrystallite preparation conditions on the formation of colloid crystals of cellulose, Blackie Academic & Professional 1998, 5, 19-32.
• [12] Ming-Guo Maa, Lian-Hua Fua, Run-Cang Suna,b, Ning Jia, Compared study on the cellulose/CaCO3 composites via microwave-assisted method using different cellulose types, Carbohydrate Polymers 2012, 90, 309-315.
• [13] Casarano R., El Seoud O.A., Successful application of an ionic liquid carrying the fluoride counter-ion in biomacromolecular chemistry: Microwave-assisted acylation of cellulose in the presence of 1-Allyl-3-methylimidazolium Fluoride/DMSO mixtures, Macromolecular Bioscience 2013, 13, 191-202.
• [14] Xuan Thang Mai, Richard Appiah-Ntiamoah, Francis W.Y. Momade, Hern Kim, Esterification of cellulose with palmitoyl chloride by using microwave irradiation and application to adsorption of methylene blue, Advanced Materials Research 2013, 622-623, 1768-1773.
• [15] Jandura P., Kokta B.V., Riedl B., Fibrous long-chain organic acid cellulose esters and their characterization by diffuse reflectance FTIR spectroscopy, solid-state CP/MAScarbon-13 NMR, and x-ray diffraction, Journal of Applied Polymer Science 2000, 78, 1354-1365.
• [16] Silverstein M.R, Webster F.X., Kiemle D.J., Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, WN PWN, Warszawa 2007.
• [17] Fengel D., Influence of water on the OH valency range in deconvoluted FTIR spectra of cellulose, Holzforschung - International Biology Chemistry Physics Technology Wood 1993, 47, 103-108.
• [18] Gierlinger N., Schwanninger M., Reinecke A., Burgert I., Molecular changes during tensile deformation of single wood fibers followed by Raman microscopy, Biomacromolecules 2006, 7, 2077-2081.
• [19] Alankar A., Gaugler M, Smith D.A., Green route to modification of wood waste, cellulose and hemicellulose using reactive extrusion, Carbohydrate Polymers 2016, 136, 1238-1250.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).