Modification of nanofibrillated cellulose in aqueous media

Abstract

In this work, the modification of nanofibrillated cellulose (NFC) was conducted both indirectly via polysaccharide adsorption and directly by chemical modification in aqueous media. Developing modification methods for NFC in aqueous media is of importance because NFC has a tendency for surface passivation and aggregation in any other solvent than water. All the NFC modifications described herein were carried out using anionic carboxyl groups as anchor groups. The adsorption and interactions between NFC and different water-soluble, linear polysaccharides were studied in a molecular level using cellulose model surfaces and surface sensitive techniques such as quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D), surface plasmon resonance (SPR), atomic force microscopy (AFM) and colloidal probe microscopy (CPM). The results pointed out that cellulose-like, linear polysaccharides can be irreversibly adsorbed on NFC surface which in turn allowed the use of polysaccharides as pre-modifiers of the NFC substrate. Indirect NFC modification via polysaccharide adsorption was demonstrated by using modified carboxymethyl cellulose (CMC). In detail, CMC was first functionalized (azide or alkyne) and then adsorbed on NFC surface. Subsequently click-chemistry reaction (Cu(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition), was utilized for the covalent immobilization of different counterparts on NFC substrate. In addition, the use of CMC-adducts as lubricants in NFC system was explored by grafting CMC with polyethylene glycol and adsorbing the corresponding CMC-derivative (CMC-g-PEG ) on NFC. Direct modification of NFC was carried out by using carboxymethylation as a pre-treatment. Next, carboxymethylated NFC (CM-NFC) substrates were subjected for carbodiimide-assisted conjugation chemistry (EDC/NHS) which allowed covalent attachment of luminescent carbon dots on CM-NFC model films and nanopaper. Furthermore, titrimetric methods for determining the surface and total charge of NFC in aqueous media were developed. The developed generic, mild and rather effortless modification methods of NFC in aqueous media are expected to open new venues for the larger scale applications of NFC .

Nanofibrillaarista selluloosaa (NFC) muokattiin tässä työssä vedessä epäsuorasti polysakkaridiadsorption avulla sekä suoraan kemiallisesti muokkaamalla. Syy NFC:n vesipohjaisten muokkausmenetelmien kehittämiseen on NFC:n aggregoituminen ja pintapassivoituminen muissa liuottimissa kuin vedessä. Kaikissa käytetyissä NFC:n muokkausmenetelmissä hyödynnettiin karboksyylikemiaa joko suorasti tai epäsuorasti. Vesiliukoisten ja lineaaristen polysakkaridien adsorptiota ja vuorovaikutusta NFC:n kanssa tutkittiin molekyylitasolla. Tämä pystyttiin tekemään hyödyntämällä kvartsikidemikrovaakaa (QCM-D), pintaplasmaresonanssia (SPR), atomivoimamikroskooppia (AFM) sekä pintavoimamittauksia (CPM). NFC:n epäsuora muokkaus demonstroitiin tutkimalla muokatun karboksimetyyliselluloosan (CMC) adsorptiota NFC-pinnoille, ja optimoimalla adsorptio-olosuhteet. Ensimmäiseksi, CMC:tä click-funktionalisoitiin (alkyyni tai azidi), adsorboitiin NFC pinnalle ja lopulta muokattiin käyttäen click-kemiaa. Toiseksi, CMC:tä muokattiin oksittamalla polyetyleeniglykoliketjuja (CMC-g-PEG) CMC:n runkoon. NFC systeemin kitkaa voitiin alentaa ja pintavuorovaikutuksia muokata adsorboimalla CMC-g-PEG NFC-pinnalle. NFC:n suoraa kemiallista muokkausta tehtiin tässä työssä karboksimetyloimalla NFC:tä ja muokkaamalla sitä vedessä käyttäen karbodiimidi-kemiaa (EDC/NHS). Fluoresoivia hiilen nanopartikkeleita kiinnitettiin karboksimetyloituun NFC mallipintaan sekä nanopaperiin käyttäen NFC:n suoraa kemiallista muokkausta vedessä. NFC:n pinta- sekä kokonaisvarausmittausmenetelmät kehitettiin, jotta NFC:n varausominaisuuksia voitaisiin karakterisoida tehokkaasti ja luotettavasti. NFC on uusiutuva nanomateriaali, jolla on potentiaalia sekä perinteisissä selluloosapohjaisissa käyttökohteissa sekä täysin uudenlaisissa sovelluksissa. Vesipohjaisia NFC-muokkausmenetelmiä kehitettiin tässä työssä, joilla voi tulevaisuudessa olla käyttöä uusien NFC:n sovelluksien kehityksessä.