Blog

Mar 01, 2024

agua y aceite

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12292 (2023) Cite este artículo 334 Accesos 1 Detalles de Altmetric Metrics En este artículo, se analizan tres tipos de micronano polvo de bambú (MBP) y alquilcetena

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12292 (2023) Citar este artículo

334 Accesos

1 altmétrica

Detalles de métricas

En este artículo, se agregaron tres tipos de micronano polvo de bambú (MBP) y dímero de alquilceteno (AKD) al recubrimiento de alcohol polivinílico/nanofibras de celulosa (PVA/CNF) para preparar papel recubierto de PVA/CNF/MBP y papel recubierto de PVA/CNF. /Papel estucado M-MBP/AKD. Los resultados mostraron que MBP mejoró la oleofobicidad del recubrimiento de PVA/CNF, y el grado de resistencia a la grasa de los papeles recubiertos de PVA/CNF/B-MBP y PVA/CNF/M-MBP alcanzó el nivel más alto, con un número de kit de 12. Entre los papeles revestidos de PVA/CNF/MBP, el papel revestido de PVA/CNF/M-MBP tiene las mejores propiedades hidrofóbicas, con un ángulo de contacto con el agua y un valor de Cobb de 74° y 21,3 g/m2, respectivamente. Además, cuando la dosis de AKD era del 0,2 % en el recubrimiento de PVA/CNF/M-MBP/AKD, el número de kit del papel recubierto era 11, el valor de Cobb era de 15,2 g/m2, el ángulo de contacto con el agua era de 103°, y se encontró que la resistencia a la tracción aumentaba ligeramente. Por lo tanto, en comparación con el papel recubierto de PVA/CNF, el papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD tiene buena resistencia y excelentes propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas.

El desarrollo de papel hidrófobo y resistente a la grasa ha aportado una gran comodidad al campo del envasado de aceites y grasas, que abarca los sectores alimentario, industrial, médico y otros1. Para mejorar las propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas del papel, es necesario reprocesar el papel base. Como todos sabemos, el papel base está compuesto por fibras vegetales. La hidrofilicidad de la celulosa y la porosidad de la superficie del papel determinan que el papel base no pueda alcanzar propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas2. Por lo tanto, es necesario aplicar un recubrimiento (rociar una película de polímero densa o cubrir un agente a prueba de aceite) sobre la superficie del papel para lograr la oleofobicidad del papel.

El polímero se rocía sobre la superficie del papel para formar una película plástica que puede prevenir eficazmente el contacto entre el papel y la grasa. Sin embargo, polímeros como el polietileno, el polipropileno y el cloruro de polivinilo tienen estructuras estables y largos tiempos de degradación natural, lo que tiene un impacto en el medio ambiente y los organismos3. El revestimiento oleofóbico que contiene flúor tiene una baja energía superficial, lo que da como resultado una mayor oleofobicidad del papel estucado. Sin embargo, las sustancias que contienen flúor se descomponen con las altas temperaturas y entran al cuerpo humano con los alimentos, lo que puede causar diversas enfermedades crónicas e incluso cáncer4, 5. Por lo tanto, es necesario desarrollar un papel vegetal y respetuoso con el medio ambiente que reemplace el papel vegetal común. papel.

Tyagi et al.6 prepararon recubrimientos de barrera compuestos por CNC utilizando nanocristales de celulosa (CNC), arcilla de montmorillonita con nanorelleno, proteína de soja y dímero de alquilcetena. Se encontró que el número de kit de papel revestido compuesto CNC era 6. De manera similar, el número de kit de cartones revestidos con nanofibras de celulosa/carboximetilcelulosa preparado por Mazhari Mousavi et al.7 también fue 6. Además, Sheng et al.8 prepararon Para papeles resistentes a la grasa, no tóxicos y libres de flúor, recubiertos con alginato de sodio (SA)/carboximetilcelulosa de sodio y SA/alginato de propilenglicol, el número máximo de kits alcanzó 9. El peso de la capa es uno de los factores importantes que afectan las propiedades de barrera de papel cuché. Yook et al.9 investigaron diferentes tipos de recubrimientos de barrera de nanofibrillas de celulosa y sus propiedades de barrera y descubrieron que era deseable un peso de capa de al menos 10 g/m2 para impartir propiedades de barrera eficientes a los papeles. El papel recubierto AKD-CNF tenía buenas propiedades hidrófobas con un ángulo de contacto con el agua de hasta 113°, pero sus propiedades oleofóbicas aún no eran buenas con el kit número 9.

El alcohol polivinílico (PVA) y las nanofibras de celulosa (CNF) son materiales de recubrimiento adecuados con buenas propiedades formadoras de película y son biodegradables10, 11. Fadel et al.12 estudiaron que los CNF se aislaron de pulpa de remolacha azucarera (SBP) utilizando dos métodos y descubrieron que Las películas ADCNF tuvieron un mejor rendimiento que las películas DHCNF con un ángulo de contacto con el agua de 59,0° ± 1,73 y el aceite penetra en el papel durante más de 45 minutos (volumen de recubrimiento 10 g/m2). Además, también estudiaron el papel recubierto con nanopartículas de CNF/quitosano (CHNP) y descubrieron que la sorción de agua era de 81 g/m2 y la resistencia al aceite era de 78 s13. Según la investigación anterior del autor, se encontró que el recubrimiento de PVA/CNF tiene propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas, pero la hidrofilicidad del PVA y la lipofilicidad de los CNF limitan la mejora adicional de la hidrofobicidad y oleofobicidad del recubrimiento de PVA/CNF14. Por lo tanto, es un desafío mejorar la hidrofobicidad y oleofobicidad del papel recubierto de PVA/CNF.

Para el desarrollo sostenible, se utilizan algunos materiales naturales para fabricar recubrimientos oleofóbicos, como almidón, quitosano, montmorillonita, etc.15. Sin embargo, se utilizaron almidón y quitosano para preparar papel resistente a la grasa, pero el proceso era complicado y menos viable para aplicaciones del mundo real16. Park et al.17 descubrieron que la proteína de soja aislada (ISP) se utilizaba como plastificante con buena resistencia al aceite. El papel recubierto con ISP fue resistente a 2 h de grasa y su rendimiento es mejor que el del papel de embalaje de alimentos compuesto de polietileno ordinario. Sirvio et al.18 informaron sobre una película compuesta de celulosa/alginato, que se sintetizó mediante reticulación iónica y fue capaz de resistir el aceite de trementina durante 30 minutos sin permeación. También hay algunos investigadores que modificaron directamente la celulosa para obtener materiales a base de celulosa repelentes de aceite19, 20. Sin embargo, estos procesos de preparación son complejos, requieren materias primas químicas adicionales y son difíciles de aplicar en la práctica.

El polvo de bambú (BP) se usa ampliamente en la fabricación de productos de papel debido a su bajo precio, fácil disponibilidad de materias primas y composición química similar a la de la madera21, 22. BP mejora las propiedades oleofóbicas del papel debido a la presencia de lignina23. En comparación con BP, el micronano polvo de bambú (MBP) no solo retiene una gran cantidad de lignina, sino que también tiene una superficie específica más grande, lo que es más adecuado para la preparación de materiales de recubrimiento oleofóbicos24. El dímero de alquilceteno (AKD) es un agente hidrófobo comúnmente utilizado en el proceso de fabricación de papel. Además, tiene baja energía superficial y buenas propiedades formadoras de película. Por lo tanto, la adición de MBP y AKD al recubrimiento de PVA/CNF puede mejorar aún más la hidrofobicidad y oleofobicidad del papel recubierto.

En este estudio, preparamos y caracterizamos tres tipos de MBP. Basado en el recubrimiento de PVA/CNF, se agregaron MBP y AKD para preparar el recubrimiento de PVA/CNF/MBP y el recubrimiento de PVA/CNF/M-MBP/AKD. Además, se estudiaron los efectos de MBP y AKD sobre las propiedades del papel estucado, lo que proporcionó un método para el desarrollo de revestimientos hidrófobos y oleofóbicos naturales, degradables y respetuosos con el medio ambiente.

El tema subyacente del trabajo actual se ilustra en la Fig. 1. Generalmente, el recubrimiento de PVA/CNF tiene propiedades formadoras de película, que confieren buenas propiedades de barrera al papel25, 26. Sin embargo, la superficie de PVA y CNF contiene una gran cantidad de hidroxilo. grupos que no pueden evitar la penetración de agua y aceite. En este artículo, los recubrimientos de PVA/CNF/MBP se prepararon agregando MBP al recubrimiento de PVA/CNF. Descubrimos que las propiedades oleofóbicas del papel estucado mejoraron significativamente y que la superficie del MBP contenía lignina27. La redistribución de la lignina en la superficie del papel mostró una excelente barrera a la grasa28. Se desconoce la razón exacta, pero una hipótesis es que la lignina tiene una energía superficial menor en comparación con la celulosa29. Sin embargo, las propiedades hidrófobas del papel recubierto de PVA/CNF/MBP disminuyeron, lo que se atribuyó a los grupos hidroxilo de celulosa hidrófilos en MBP30. Finalmente, se seleccionó AKD como agente hidrofóbico, porque los grupos alquilo de cadena larga (grupos hidrofóbicos) de AKD se distribuyen en la superficie del líquido de recubrimiento, lo que puede prevenir eficazmente la penetración de agua6, 31. Por otro lado, el Los grupos alquilo de cadena larga de AKD son lipófilos, por lo que la repelencia al aceite de AKD es débil32. En general, MBP y AKD dan como resultado un recubrimiento de PVA/CNF con excelentes propiedades oleofóbicas e hidrofóbicas. El esquema hidrofóbico y oleofóbico del papel recubierto de PVA/CNF/MBP/AKD se muestra en la Fig. 1.

Esquema de papel recubierto hidrofóbico y oleofóbico basado en PVA/CNF.

Se utilizó polvo de bambú (malla 125, composición química: 49,6% en peso de celulosa, 16,3% en peso de hemicelulosa, 24,2% en peso de lignina y 9,9% en peso de otros), nanofibras de celulosa ([C6H10O5]n) y celulasa (actividad enzimática de 16.000 HCU/g). obtenido de Zhejiang Jinjiahao Green Nanomaterials Co., Ltd. (Quzhou, China). El papel base (Tabla 1) se obtuvo de Zhejiang Jinchang Specialty Paper Co., Ltd. (Quzhou, China). Dímero de alquilcetena, ácido cítrico (C6H8O7, grado reactivo analítico (AR)), citrato de sodio (C6H5Na3O7, grado AR), hidróxido de sodio (NaOH, grado AR), alcohol polivinílico ([C2H4O]n, grado AR) y otros productos químicos. Los reactivos se adquirieron en Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China).

El ácido cítrico y el citrato de sodio se prepararon respectivamente a una concentración de 0,1 mol/L, luego se ajustaron sus proporciones y se midió el valor del pH de la solución mezclada usando un medidor de pH (PHS-3E, Shanghai INESA Scientific Instrument Co., Ltd., Shanghái, China). Finalmente se preparó una solución de ácido cítrico-citrato de sodio con pH 5.

El BP y el agua se mezclaron para preparar una suspensión del 1% en peso y luego se molieron con un molino coloidal (JM-L65, Wenzhou Longwan Yongxing Huawei Machinery Factory, Zhejiang, China) durante 30 minutos para obtener polvo de bambú de pretratamiento mecánico (M-PBP). ). Luego, la M-PBP se homogeneizó 5 veces en un homogeneizador de alta presión (AH-pilot2018, Shanghai Dibosi Biological Technology Co., Ltd., Shanghai, China) a una presión de 1000 bar para obtener polvo de bambú micro-nano mecánico ( MMBP).

Se añadieron 10 g de BP y 60 U/g de celulasa a 250 ml de solución de ácido cítrico-citrato de sodio y se pretrataron a 50 °C durante 6 h. Luego se elevó la temperatura a 90 °C durante 30 min para detener la reacción enzimática. BP se lavó hasta neutralidad usando una centrífuga (80-2, Changzhou Langbo Instrument Manufacturing Co., Ltd., Jiangsu, Zhejiang) para obtener polvo de bambú de pretratamiento biológico (B-PBP). Finalmente, el B-PBP se homogeneizó 5 veces bajo una presión de 1000 bar para obtener el micronano polvo de bambú biológico (B-MBP).

Se mezclaron BP (10 g) y una solución de NaOH (500 ml, 1 % en peso) en un vaso de precipitados y se agitaron a 90 °C (500 r/min) durante 1 h. Luego, el BP se lavó hasta neutralidad usando una centrífuga para obtener polvo de bambú de pretratamiento químico (C-PBP). Finalmente, el C-PBP se homogeneizó 5 veces bajo una presión de 1000 bar para obtener un micronano polvo de bambú químico (C-MBP).

Se disolvieron completamente PVA y CNF (3% en peso) y se mezclaron en agua a 90 °C y se dispersaron en un limpiador ultrasónico (KQ-30DE, Kunshan Sonic Instrument Co., Ltd., Jiangsu, China) durante 15 minutos para obtener CNF/ Revestimiento de PVA. Luego, se agregaron MBP y AKD al recubrimiento de PVA/CNF para una dispersión uniforme para obtener recubrimientos de PVA/CNF/MBP y PVA/CNF/M-MBP/AKD. Los recubrimientos preparados se recubrieron sobre la superficie del papel base con una recubridora manual (ZAA 2300, Zehntner, Suiza) y luego se secaron usando un horno de secado termostático eléctrico (DHG-907A 9140A, Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., LTD, Shanghai, China) a 80 °C para obtener papel recubierto de PVA/CNF, PVA/CNF/MBP y PVA/CNF/M-MBP/AKD con un peso de recubrimiento de 2,0 g/m2. El espesor del recubrimiento se logró cambiando el diámetro de la varilla Meyer. El peso del revestimiento se calculó midiendo los pesos secos de los papeles antes y después del revestimiento. El proceso de preparación y las propiedades del papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD se muestran en la Fig. 2.

El proceso de preparación y las propiedades del papel estucado PVA/CNF/M-MBP/AKD.

La estructura cristalina de BP y MBP se analizó mediante difractómetro de rayos X (ARL XTRA, Thermo ARL, Suiza). Las muestras se escanearon a 40 kV y 30 mA en un rango de 2 h entre 10° y 40° utilizando radiación Cu Kα (λ = 15,4 × 10–2 nm) a 1°/min19. El índice de cristalinidad (CrI) se calculó según el método empírico desarrollado por Segal et al.33 utilizando la Ec. (1).

donde I200 es la intensidad máxima del plano (200) (I200, 2θ = 22°) que representa el material cristalino y amorfo, y Iam es la intensidad mínima entre el plano (110) y (200) (Iam, 2θ = 18° ) que representa el material amorfo. Las estructuras químicas de BP y MBP se analizaron mediante un espectrómetro de infrarrojos (Nicolet 5700, Thermoelectric Corporation of America). La morfología de BP y MBP se observó con un microscopio electrónico de barrido de escritorio (Phenom pro, Funer Scientific Instruments (Shanghai) Co., Ltd.). La morfología de la superficie de los CNF se observó mediante un microscopio de fuerza atómica (XE-100E, PSIA, Corea). Las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) de BP y MBP y las imágenes del microscopio de fuerza atómica (AFM) de los CNF se importaron al software de análisis Nanoscope y Nano meter, y se seleccionaron aleatoriamente 100 CNF y BP para medir su tamaño. Además, los datos obtenidos se graficaron y analizaron utilizando el software Origin.

Antes de la prueba, los papeles se colocaron a 23 ± 2 °C bajo una humedad relativa de 50 ± 2% durante 24 h. La resistencia al aceite/grasa del papel se midió utilizando el estándar TAPPI T559. El ángulo de contacto con el agua del papel se midió según la norma ASTM D 724-1999, utilizando un probador de ángulo de contacto superficial (OCA40, Dataphysics, Alemania). La absorción de agua del papel (prueba de Cobb) se determinó utilizando el probador de absorción de agua Paper Cobb (PWA-01, Sichuan Changjiang Paper Instrument Co., Ltd., China) de acuerdo con el estándar TAPPI T441. La resistencia a la tracción del papel se determinó utilizando un probador de tracción computarizado (TTM, Hangzhou Qingtong Boke Automation Technology Co., Ltd., China) de acuerdo con el estándar TAPPI T494.

Las propiedades cristalinas de BP, M-MBP, B-MBP y C-MBP se realizaron según difracción de rayos X (DRX). Como se muestra en la Fig. 3a, no hubo diferencias significativas en los picos de difracción de los cuatro polvos de bambú. El pico superpuesto de difracción a aproximadamente 16° corresponde al plano cristalográfico de celulosa (1-10)/(110), y los picos de difracción de 22° y 34,5° corresponden al plano cristalográfico de celulosa (200) y (004), respectivamente. que pertenecen al típico cristal de celulosa tipo I34, 35. El CrI de BP fue del 52,55%, superior al de los otros tres MBP. Después de la homogeneización a alta presión de BP, la región cristalina de BP fue dañada por cizallamiento mecánico, de modo que el CrI de MBP fue menor que el de BP36. Sin embargo, el CrI de M-MBP fue mayor que el de B-MBP y C-MBP, lo que se debió a que el pretratamiento mecánico redujo el tamaño de la BP y no cambió la estructura interna de la BP. La existencia de lignina en la superficie de la BP reduce el efecto de cizallamiento del proceso de homogeneización de alta presión en la BP y protege el área de cristalización de la BP, por lo tanto, la cristalinidad de M-MBP disminuye menos. Sin embargo, los pretratamientos tanto biológicos como químicos cambiaron la estructura interna de BP y redujeron el contenido de lignina, por lo que la cristalinidad de B-MBP y C-MBP disminuyó significativamente37.

(a) patrones XRD de BP, M-MBP, B-MBP y C-MBP, (b) y (c) espectros FTIR de BP, M-MBP, B-MBP y C-MBP.

La Figura 3b muestra los espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) de BP y MBP. En la figura se puede ver que los picos característicos de M-MBP y B-MBP son como BP. Los picos característicos de la celulosa aparecieron en estos tres espectros infrarrojos, que fueron el pico de vibración de estiramiento de –OH a 3425 cm-1, el pico de vibración de estiramiento de –CH a 2900 cm-1 y el pico de absorción de –CO a 1030 cm-1. 1, y el pico de absorción de hemicelulosa de –CO a 1640 cm-1 (Fig. 3b)38. Mientras tanto, hubo picos de absorción en 1715 cm-1, 1605 cm-1, 1505 cm-1, 1370 cm-1 y 1250 cm-1 que representan la lignina en los tres espectros infrarrojos, lo que puede demostrar que BP contiene una gran cantidad de lignina (Fig. 3c) 39. También hubo picos característicos de celulosa y hemicelulosa en el espectro infrarrojo de C-MBP, pero los picos característicos de lignina fueron débiles, lo que indicó que parte de la lignina se eliminó después de que el BP fue pretratado con una solución de NaOH.

La Figura 4a muestra la imagen de CNF probada con el microscopio de fuerza atómica (AFM). Como se muestra en la Fig. 4a, el CNF era una estructura filamentosa. Y la longitud y el diámetro de los CNF se distribuyeron principalmente entre 1 y 3,5 µm y entre 18 y 42 nm, con una longitud promedio de aproximadamente 2,4 µm y un diámetro promedio de aproximadamente 28,7 nm (Fig. 4b y c).

Imágenes de microscopio de fuerza atómica de (a) CNF; (b) longitud del CNF y (c) diámetro del CNF.

La Figura 5 y la Tabla 2 muestran las imágenes SEM y los tamaños de BP y MBP. La Figura 5a muestra la imagen SEM de BP, que muestra que la mayor parte de la BP tiene una estructura en forma de varilla con una longitud promedio de 166,8 µm, un ancho promedio de 23,5 µm y un espesor promedio de 782 nm. M-MBP y B-MBP eran principalmente estructuras en forma de lámina, con una pequeña cantidad de estructuras en forma de varilla (Fig. 5b, c). La Figura 5d muestra que el C-MBP era una estructura en forma de lámina escalonada y superpuesta con una longitud, ancho y espesor promedio de 758,2 nm, 487,5 nm y 70,3 nm, respectivamente (Tabla 2). El tamaño de C-MBP en los MBP fue el más pequeño. Por lo tanto, el pretratamiento químico tiene el mayor daño a la estructura de la BP y la mayor eliminación de la lignina de la BP. En resumen, el pequeño tamaño del MBP es más beneficioso para la formación de películas de recubrimientos que el BP.

Imágenes SEM de (a) BP, (b) M-MBP, (c) B-MBP y (d) C-MBP.

El efecto de MBP sobre la resistencia a la grasa del papel se muestra en la Fig. 6a. Puede verse en la figura que el grado de resistencia a la grasa del papel recubierto de PVA/CNF fue 9, el del papel recubierto de PVA/CNF/C-MBP fue de 10 y el de PVA/CNF/B-MBP y PVA/CNF/M- El papel recubierto con MBP fue 12. Obviamente, el MBP mejoró el rendimiento de resistencia a la grasa del recubrimiento de PVA/CNF. La lignina existe en la superficie del MBP y su polaridad y energía superficial son bajas, lo que mejora la tensión superficial de los recubrimientos23. Esta es la razón fundamental por la que MBP mejora el rendimiento de resistencia a la grasa de los recubrimientos. El C-MBP pretratado con NaOH tuvo menos rendimiento de resistencia a la grasa que el B-MBP y el M-MBP debido a la eliminación de más lignina.

(a) Efecto de MBP sobre la resistencia a la grasa del papel, (b) efecto de MBP sobre las propiedades hidrofóbicas del papel y (c) efecto de MBP sobre la resistencia a la tracción del papel.

El efecto de MBP sobre las propiedades hidrofóbicas del papel se muestra en la Fig. 6b. La hidrofobicidad del papel recubierto de PVA/CNF fue la mejor, con un ángulo de contacto con el agua de 94° y un valor de Cobb de 18,4 g/m2. Por el contrario, las propiedades hidrófobas del papel recubierto de PVA/CNF/MBP fueron peores que las del papel recubierto de PVA/CNF. Entre las muestras, el papel recubierto de PVA/CNF/B-MBP tuvo la peor hidrofobicidad, con un ángulo de contacto con el agua y un valor de Cobb de 65° y 23,0 g/m2, respectivamente. El MBP añadido al recubrimiento no puede formar una combinación eficaz con el PVA, lo que destruye la compacidad del recubrimiento, reduciendo así la hidrofobicidad del papel recubierto40. Además, la lignina en MBP contiene grupos hidroxilo, y la hidrofilia de los grupos hidroxilo es una de las razones por las que disminuye la hidrofobicidad del papel estucado41.

Los índices de tracción en dirección de la máquina (MD) y en dirección transversal (CD) del papel recubierto de PVA/CNF fueron 68,1 y 41,7 N m/g, respectivamente. Sin embargo, las resistencias a la tracción del papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP fueron las más pequeñas, que fueron 67,17 y 40,92 N m/g (Fig. 6c). Por lo tanto, MBP tiene un efecto débil sobre la resistencia a la tracción del papel. Por otro lado, la resistencia a la tracción del papel recubierto de PVA/CNF/MBP disminuyó ligeramente en comparación con el papel recubierto de PVA/CNF. La celulosa estaba cubierta por lignina en la superficie de MBP, lo que afectó la fuerza de unión de los CNF y PVA42. Por tanto, la resistencia a la tracción del papel recubierto de PVA/CNF/MBP disminuye.

En comparación con el recubrimiento de PVA/CNF, el recubrimiento de PVA/CNF/MBP mejoró las propiedades oleofóbicas del papel y básicamente mantuvo la resistencia física del papel, pero la hidrofobicidad del papel disminuyó. AKD se utiliza como agente hidrófobo en el proceso de fabricación de papel debido a su baja energía superficial y buenas propiedades formadoras de película. En los estudios anteriores, el método de preparación de M-MBP es el más simple y la propiedad hidrófoba del papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP es la mejor. Por lo tanto, se añadió AKD (en relación con la dosis de PVA) al recubrimiento de PVA/CNF/M-MBP para formar un recubrimiento de PVA/CNF/M-MBP/AKD, y se estudiaron más a fondo las propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas del papel recubierto.

El efecto de AKD sobre la resistencia a la grasa del papel se muestra en la Fig. 7a. La dosis de AKD fue inferior al 0,05%, lo que no cambió las propiedades oleofóbicas del papel revestido. Mientras tanto, el número de kit del papel revestido era 12. Cuando la dosis de AKD superó el 0,05 %, las propiedades oleofóbicas del papel revestido disminuyeron. Además, la dosis de AKD estaba entre 0,10 y 0,20 %, y el número de kit del papel recubierto era 11. AKD es una dispersión con carga catiónica, que se creía que adsorbía principalmente lignina con carga iónica a aniónica43. El grupo alquilo de cadena larga de AKD es un grupo lipófilo. Por lo tanto, cuando el aceite/grasa entra en contacto con la superficie del papel revestido, el grupo alquilo absorbe el aceite/grasa y penetra en el interior del papel, y las propiedades oleofóbicas del papel revestido disminuyen6.

(a) Efecto de la dosis de AKD sobre la resistencia a la grasa del papel, (b) efecto de la dosis de AKD sobre las propiedades hidrofóbicas del papel y (c) efecto de la dosis de AKD sobre la resistencia a la tracción del papel.

A medida que aumentó la dosis de AKD, las propiedades hidrófobas del papel revestido mejoraron significativamente. Además, con un aumento de la dosis de AKD, el valor de Cobb del papel estucado disminuyó y el ángulo de contacto con el agua aumentó, como se muestra en la Fig. 7b. Cuando la dosis de AKD era del 0,2%, el valor de Cobb y el ángulo de contacto del papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD eran de 15,2 g/m2 y 103°. En comparación con el papel estucado PVA/CNF/M-MBP, el valor de Cobb del papel estucado PVA/CNF/M-MBP/AKD disminuyó un 28,80% y el ángulo de contacto con el agua aumentó un 40,59%. La razón de este fenómeno es que la molécula de AKD contiene grupos hidrófobos y grupos reactivos. El grupo reactivo reacciona con el grupo carbonilo de la fibra para formar un enlace covalente y formar una película estable sobre la superficie de la fibra. Por otro lado, los grupos hidrofóbicos (grupos alquilo de cadena larga) están alejados de la superficie de la fibra, por lo que el papel recubierto tiene mejores propiedades hidrofóbicas44.

El efecto de la dosis de AKD sobre la resistencia a la tracción del papel se muestra en la Fig. 7c. La resistencia a la tracción del papel recubierto aumentó ligeramente al aumentar la dosis de AKD. Los índices de tracción MD y CD del papel revestido sin AKD fueron 67,08 N m/g y 40,92 N m/g, respectivamente. Cuando la dosis de AKD aumentó al 0,2 %, los índices de tracción MD y CD del papel recubierto aumentaron a 71,28 N m/g y 44,92 N m/g, el índice de tracción MD y CD aumentó en un 6,3 % y 9,78 %, respectivamente. La mejora de la resistencia a la tracción del papel se debe a la reticulación de AKD y las fibras a alta temperatura, y a la reacción de esterificación de AKD y el grupo carbonilo de la fibra para formar un enlace covalente45. Por tanto, la adición de AKD es beneficiosa para mejorar la resistencia a la tracción del papel revestido.

La Figura 8 muestra las imágenes SEM del papel base y del papel estucado. En comparación con el papel estucado, en el papel base hay muchos espacios entre las fibras vegetales (Fig. 8a), lo que permite que el líquido penetre en el interior del papel por acción capilar. Esta es la razón por la que el papel base no tiene propiedades hidrófobas ni oleofóbicas. Las excelentes propiedades formadoras de película de PVA y CNF brindan al papel recubierto de PVA/CNF efectos hidrofóbicos y oleofóbicos al llenar los poros entre las fibras (Fig. 8b). Como se muestra en las figuras 8c yd, la superficie del papel recubierto estaba cubierta por una película de recubrimiento con partículas de M-MBP. La baja energía superficial de M-MBP y el grupo hidrofóbico de AKD serían útiles para aumentar las propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas del papel recubierto de PVA/CNF.

Imágenes SEM de (a) papel base, (b) papel recubierto de PVA/CNF, (c) papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP y (d) papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD.

En este trabajo, desarrollamos una estrategia sencilla para mejorar la hidrofobicidad y oleofobicidad del papel recubierto de PVA/CNF. Análisis de papel recubierto de PVA/CNF y PVA/CNF/MBP con un peso de recubrimiento de 2,0 g/m2, los resultados mostraron que el grado de resistencia a la grasa de PVA/CNF, PVA/CNF/C-MBP, PVA/CNF/B- Los papeles recubiertos MBP y PVA/CNF/M-MBP fueron 9, 10, 12 y 12. Obviamente, MBP mejora la oleofobicidad del recubrimiento PVA/CNF. Sin embargo, las propiedades de hidrofobicidad y resistencia del papel recubierto de PVA/CNF/MBP disminuyeron ligeramente en comparación con el papel recubierto de PVA/CNF. Por lo tanto, es necesario utilizar AKD para mejorar las propiedades del papel recubierto de PVA/CNF/MBP. Cuando la dosis de AKD fue del 0,20 %, el valor de Cobb del papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD disminuyó un 28,80 %, el ángulo de contacto con el agua aumentó un 40,59 % y el índice de tracción MD y CD aumentó un 6,3 % y un 9,78 %. , en comparación con el papel estucado PVA/CNF/M-MBP. En general, en comparación con el papel recubierto de PVA/CNF, el papel recubierto de PVA/CNF/M-MBP/AKD tiene buena resistencia y excelente hidrofobicidad y oleofobicidad. Esto es de gran importancia para el desarrollo de materiales de embalaje hidrófobos y oleofóbicos respetuosos con el medio ambiente.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Alcohol de polivinilo

Nanofibras de celulosa

Polvo de bambú

Polvo de bambú micronano

Polvo de bambú micro-nano mecánico

Polvo de bambú micro-nano biológico

Polvo químico de bambú micro-nano

Dímero de alquilcetena

Proteína de soja aislada

difracción de rayos X

Transformada de Fourier para infrarrojos

Dirección de la máquina

dirección transversal

Hubbe, MA & Pruszynski, P. Productos de papel resistente a la grasa: una revisión que enfatiza los enfoques ecológicos. BioResources 15, 1978–2004 (2020).

Artículo de Google Scholar

Kjellgren, H. & Engström, G. La relación entre el requerimiento de energía y las propiedades de barrera en la producción de papel vegetal. Tappi J. 4, 7-11 (2005).

CAS Google Académico

Miao, Y., von Jouanne, A. y Yokochi, A. Tecnologías actuales en el proceso de despolimerización y el camino a seguir. Polímeros 13, 449. https://doi.org/10.3390/polym13030449 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tokranov, AK et al. ¿Cómo medimos las sustancias poli y perfluoroalquilas (PFAS) en la superficie de los productos de consumo? Reinar. Ciencia. Tecnología. Letón. 6, 38–43. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.8b00600 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schaider, LA y cols. Compuestos fluorados en envases de comida rápida estadounidense. Reinar. Ciencia. Tecnología. Letón. 4, 105-111. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.6b00435 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tyagi, P., Hubbe, MA, Lucia, L. & Pal, L. Recubrimientos compuestos a base de nanocelulosa de alto rendimiento para resistencia a aceites y grasas. Celulosa 25, 3377–3391. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1810-7 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Mazhari Mousavi, S., Afra, E., Tajvidi, M., Bousfield, D. & Dehghani-Firouzabadi, M. Mezclas de nanofibras de celulosa/carboximetilcelulosa como recubrimiento eficaz para mejorar la estructura y las propiedades de barrera del cartón. Celulosa 24, 3001–3014. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1299-5 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Sheng, J., Li, J. & Zhao, L. Fabricación de papel resistente a la grasa con productos químicos no fluorados para envasado de alimentos. Celulosa 26, 6291–6302. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02504-y (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Yook, S. y col. Recubrimientos barrera con varios tipos de nanofibrillas de celulosa y sus propiedades barrera. Celulosa 27, 4509–4523. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03061-5 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, JW y cols. Propiedades de barrera contra la humedad y el oxígeno de películas basadas en nanomateriales de celulosa. Sostenimiento ACS. Química. Ing. 6, 49–70. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b03523 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Pathak, VM y Navneet. Revisión sobre el estado actual de la degradación de polímeros: un enfoque microbiano. Biorrecurso. Bioproceso. 4, 15. https://doi.org/10.1186/s40643-017-0145-9 (2017).

Artículo de Google Scholar

Fadel, SMM, Abou-Elseoud, WSS, Hassan, EAA, Ibrahim, S. & Hassan, MLL Uso de nanofibras de celulosa de remolacha azucarera para recubrimiento de papel. Prod. de cultivos industriales. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2022.114787 (2022).

Artículo de Google Scholar

Hassan, EA, Hassan, ML, Abou-Zeid, RE y El-Wakil, NA Nuevas películas de nanocompuestos de nanopartículas de celulosa nanofibrilada/quitosano y su uso para recubrimiento de papel. Prod. de cultivos industriales. 93, 219–226. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.12.006 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Huang, S. y col. Mezclas de nanofibras de celulosa y alcohol polivinílico como recubrimiento eficaz para mejorar las propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas del papel. Ciencia. Rep. 12, 16148. https://doi.org/10.1038/s41598-022-20499-8 (2022).

Artículo MathSciNet CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ding, Q. y col. Efecto de la hornificación de fibras de nanocelulosa sobre las características de la fracción de agua y la accesibilidad de los hidroxilos durante la deshidratación. Carbohidrato. Polimero. 207, 44–51. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.075 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kjellgren, H., Gällstedt, M., Engström, G. & Järnström, L. Propiedades de barrera y superficie del papel vegetal recubierto de quitosano. Carbohidrato. Polimero. 65, 453–460. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.02.005 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Park, HJ y cols. Resistencia a las grasas y propiedades mecánicas del papel recubierto con proteína de soja aislada. Mermelada. Aceite. Química. Soc. 77, 269–273. https://doi.org/10.1007/s11746-000-0044-2 (2000).

Artículo CAS Google Scholar

Sirvio, JA, Kolehmainen, A., Liimatainen, H., Niinimaki, J. & Hormi, OEO Películas biocompuestas de alginato de celulosa: materiales de embalaje prometedores. Química de los alimentos. 151, 343–351. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2013.11.037 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Du, P. y col. El recubrimiento sin flúor tiene excelentes propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas para materiales porosos a base de celulosa. Celulosa 28, 6133–6146. https://doi.org/10.1007/s10570-021-03959-8 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Xie, JX y col. Fácil síntesis de papel celulósico libre de flúor con excelente resistencia a aceites y grasas. Celulosa 27, 7009–7022. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03248-w (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Lee, JY y cols. Estudio fundamental sobre el desarrollo de polvo de madera como aditivo del cartón. Tappi J. 13, 17-22. https://doi.org/10.32964/TJ13.11.17 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Scurlock, JM, Dayton, DC y Hames, B. Bambú: ¿un recurso de biomasa que se pasa por alto? Biomasa Bioenergía 19, 229–244. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(00)00038-6 (2000).

Artículo CAS Google Scholar

Tayeb, AH, Tajvidi, M. & Bousfield, D. Envases de barrera de aceite a base de papel que utilizan nanofibrillas de celulosa que contienen lignina. Moléculas https://doi.org/10.3390/molecules25061344 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Agarwal, C. & Csoka, L. Funcionalización de fibras de celulosa naturales de madera/plantas con nanomateriales: una revisión. Tappi J. 17, 92-111. https://doi.org/10.32964/TJ17.02.92 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Kim, H.-J., Roy, S. y Rhim, J.-W. Efectos de varios tipos de nanofibras de celulosa sobre las propiedades físicas de las películas basadas en CNF. J. Medio Ambiente. Química. Ing. 9, 106043. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106043 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Tripathi, S., Mehrotra, G. & Dutta, P. Fisicoquímica y bioactividad de la película de quitosano-PVA reticulada para aplicaciones de envasado de alimentos. En t. J. Biol. Macromol. 45, 372–376. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2009.07.006 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chio, C., Sain, M. y Qin, W. Utilización de lignina: una revisión de la despolimerización de lignina desde varios aspectos. Renovar. Sostener. Energía Rev. 107, 232–249. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.03.008 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, W. y col. Redistribución de lignina para mejorar las propiedades de barrera de materiales a base de celulosa. Polímeros 11, 1929. https://doi.org/10.3390/polym11121929 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Z. & Lin, S. El impacto de los grupos funcionales de baja energía superficial en la resistencia a la contaminación del aceite en la destilación por membranas. J. Miembro. Ciencia. 527, 68–77. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.12.063 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Cai, Q. y col. Proceso de disolución del polvo de bambú analizado mediante espectroscopía FT-IR. J. Mol. Estructura. 1171, 639–643. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2018.06.066 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hundhausen, U., Militz, H. & Mai, C. Uso de dímero de alquilcetena (AKD) para la modificación de la superficie de chips de tableros de partículas. EUR. J. Madera Prod. de madera. 67, 37–45. https://doi.org/10.1007/s00107-008-0275-z (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Li, L. y Neivandt, DJ El mecanismo de dimensionamiento del dímero de alquilceteno (AKD) en películas modelo de celulosa estudiado mediante espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia suma. Celulosa 26, 3415–3435. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02295-2 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Segal, L., Creely, JJ, Martin, AE y Conrad, CM Un método empírico para estimar el grado de cristalinidad de la celulosa nativa utilizando el difractómetro de rayos X. Texto. Res. J. 29, 786–794. https://doi.org/10.1177/004051755902901003 (1959).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, YF y cols. Un enfoque novedoso para la preparación de celulosa nanocristalina mediante el uso de ácido fosfotúngstico. Carbohidrato. Polimero. 110, 415–422. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.04.040 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Abe, K. & Yano, H. Comparación de las características de los agregados de microfibrillas de celulosa de madera, paja de arroz y tubérculos de patata. Celulosa 16, 1017–1023. https://doi.org/10.1007/s10570-009-9334-9 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

de Souza Lima, MM & Borsali, R. Microcristales de celulosa en forma de varilla: estructura, propiedades y aplicaciones. Macromol. Comunicacion Rapida. 25, 771–787. https://doi.org/10.1002/marc.200300268 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Jang, J.-H. et al. Cambios en las dimensiones de nanofibrillas de lignocelulosa con diferentes contenidos de lignina mediante hidrólisis enzimática. Polímeros 12, 2201. https://doi.org/10.3390/polym12102201 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, XL, Sun, CJ, Zhou, BX & He, Y. Determinación de hemicelulosa, celulosa y lignina en bambú moso mediante espectroscopia de infrarrojo cercano. Ciencia. Representante 5, 1-11. https://doi.org/10.1038/srep17210 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Wu, K. y col. Modificación estructural y superficie de lignina de bambú oxidada por reacción de Fenton para reducir la unión de celulasa no productiva y mejorar la digestión enzimática de la celulosa. Sostenimiento ACS. Química. Ing. 6, 3853–3861. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b04191 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Svagan, AJ, Hedenqvist, MS y Berglund, L. Reducción de la sorción de vapor de agua en nanocompuestos de celulosa con matriz de almidón. Compos. Ciencia. Tecnología. 69, 500–506. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.11.016 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Vu, T., Chaffee, A. y Yarovsky, I. Investigación de las interacciones lignina-agua mediante simulación molecular. Mol. Simultáneo. 28, 981–991. https://doi.org/10.1080/089270204000002610 (2002).

Artículo CAS Google Scholar

Park, H., Park, SY, Yook, S., Kim, T.-Y. & Youn, HJ Impregnación de papel con nanofibrillas de celulosa y alcohol polivinílico para mejorar la durabilidad. Papanicolaou Pulpa Norte. Res. J. 35, 106-114. https://doi.org/10.1515/npprj-2019-0071 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Atifi, S., Miao, C. y Hamad, WY Modificación de la superficie de lignina para aplicaciones en mezclas de polipropileno. J. Aplica. Polimero. Ciencia. https://doi.org/10.1002/app.45103 (2017).

Artículo de Google Scholar

Zhaoyang, Y. & Yangbing, W. Mejora de la hidrofobicidad de la celulosa nanofibrilada mediante el injerto de dímero de alquilcetena. Celulosa 25, 6863–6871. https://doi.org/10.1007/s10570-018-2048-0 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Bildik, AE, Hubbe, MA y Gurboy, KB Dimensionamiento del dímero de alquilceteno (AKD) de papel en condiciones de tratamiento simplificadas. Tappi J. 15, 545–552 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Facultad de Ciencias e Ingeniería Textiles (Instituto Internacional de la Seda), Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang, Hangzhou, 310000, Zhejiang, China

Shancong Huang, Xiyun Wang y Xinxing Xia

Zhejiang Jinchang Specialty Paper Co., Ltd., Quzhou, 324404, Zhejiang, China

Yu Zhang, Yu Meng y Feiguo Hua

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

SH, XW y XX escribieron el texto principal del manuscrito e YZ, YM y FH prepararon las figuras 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Xinxing Xia.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Huang, S., Wang, X., Zhang, Y. et al. Propiedades de barrera contra agua y aceite-grasa del recubrimiento compuesto de PVA/CNF/MBP/AKD sobre papel. Informe científico 13, 12292 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38941-w

Descargar cita

Recibido: 23 de mayo de 2023

Aceptado: 17 de julio de 2023

Publicado: 29 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38941-w

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.