Chemical Modification of Nanostructured Wood for Functional Biocomposites
Tid: Fr 2021-06-11 kl 10.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/j/67184873616, Stockholm (English)
Ämnesområde: Bioteknologi
Respondent: MS Shennan Wang , Glykovetenskap
Opponent: Associate Professor Gustav Nyström, Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Switzerland
Handledare: Professor Qi Zhou, Bioteknologi, Albanova VinnExcellence Center for Protein Technology, ProNova, Strategiskt Centrum för Biomimetiska Material, BioMime, Glykovetenskap
Abstract
Miljövänliga top-down-metoder som börja med trä har gett ny insikt i forskning om kemiskmodifiering i nanoskalan. Nanostrukturerat trä med naturligt orienteradecellulosamikrofibriller, nanoporösa cellväggar och exakt avstämd kemisk sammansättninghar öppnat många möjligheter för avancerad design av funktionella material. I dennaavhandling har nya kemiska modifieringsstrategier utvecklats för att erhålla nanostrukturellkontroll och ytfunktionalisering av nanostrukturerat trä. Funktionella biokompositmaterialmed höga mekaniska egenskaper och hög optisk prestanda, hög CO2-adsorptionskapacitetoch immobiliserat protein har tillverkats med det nya kemiskt modifieradenanostrukturerade träet.
Den direkta beredningen av nanostrukturerat trä från balsa uppnåddes genom delignifieringsom bevarar träets naturliga struktur. Tvärbindning av matrispolysackariderna medanvändning av det homofunktionella tvärbindningsmedlet butandiol-diglycidyleter varnödvändig som ett förbehandlingssteg för gran för att bibehålla dess strukturella integritetefter fullständig delignifiering. Ytterligare kemisk modifiering av delignifierat balsa genom2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-medierad oxidation selektivt oxideradeythydroxyler till karboxylgrupper och inducerad fibrillering av cellulosamikrofibriller icellväggen. Därför framställdes framgångsrikt TEMPO-oxiderat trä (TO-trä) med högkarboxylathalt (0,78 mmol g-1), hög specifik yta (249 m2 g-1) och stor mesoporvolym (0,78 cm3g-1). Avstämbar mikrostruktur av TO-trä erhölls därefter genom att inkorporera olikamotjoner (H+, Cu2+, Al3+, Zn2+) eller genom att använda olika torkningsmetoder (superkritisktorkning och frystorkning). Dessutom var ytan amineringsmetod också utvecklat på mycketmesoporöst delignifierade grancellulosa ställning för att införa ett reaktivt handtag förimmobilisering av biomolekyler. Dessa kemiskt modifierade nanostrukturerade trä harinspirerat tillverkningen av träbaserade biokompositer med nya funktioner som inte ärmöjliga med traditionella trämaterial.
Delignifierat balsaträ visade starkare hydrofilicitet och större porositet, vilket möjliggjordebildandet av komposithydrogeler genom infiltrering av gelatin och tvärbindning med genipin.Komposithydrogelerna uppvisade hög mekanisk hållfasthet under kompression och lågsvullnad i fysiologiskt tillstånd. Den bevarade cellulära strukturen och fibrilleradecellulosamikrofibriller i TO-trä möjliggjorde enkel tillverkning av kompressibel airgel ochexceptionellt stark film (draghållfasthet 449 MPa och Youngs modul på 51 GPa) vid olikatorkningsförhållanden. Fibrillering av cellulosamikrofibriller visade sig också vara kritisk förinterpenetrationen mellan cellvägg och poly(N-isopropylakrylamid) (PNIPAM)hydrogelnätverk, vilket producerar tuff och mycket transparent komposithydrogel med entotal transmittans på 85,8% vid en tjocklek av 2 mm. TO- trä/PNIPAM hydrogel kunde växlamellan transparent och vitt som svar på temperaturförändringar mellan 25 och 40 °C.Ytkarboxylgrupper av TO-trä underlättade också ytkoordinering av cellvägg till multivalentametalljoner, vilket därefter förbättrade in situ-syntesen av metallorganiska ramar (MOFs).Den resulterande TO-trä/Cu3 (BTC)2 (kopparbensen-1,3,5-trikarboxylat) komposit-aerogelenuppvisade hög specifik yta på 471 m2 g-1 och hög CO2-adsorptionskapacitet på 1,46 mmol g-1vid 25 °C under atmosfärstryck. Den mycket mesoporösa och mekanisk robust gran härleddcellulosa nätverk lastat med reaktiva amingrupper är tillåtna kovalent immobilisering avfunktionella biomolekyler, såsom ett lektin protein konkanavalin A, som visade potentiellaglykoprotein-bindande och separationstillämpningar.