Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (6), 698–708
High lignin content cellulose nanofibrils obtained from thermomechanical pulp
Anna A. Luginina – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; ana@lst.gpi.ru
Sergey V. Kuznetsov – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; kouznetzovsv@gmail.com
Alexander A. Alexandrov – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; alexandrov1996@yandex.ru
Radmir V. Gainutdinov – Shubnikov Institute of Crystallography of Federal Scientific Research Centre Crystallography and Photonics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; rgaynutdinov@gmail.com
Dmitrii I. Petukhov – Lomonosov Moscow State University, Chemical department, Moscow, Russia; di.petukhov@gmail.com
Valery V. Voronov – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; voronov@lst.gpi.ru
Elena V. Chernova – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; e-chernova@yandex.ru
Pavel P. Fedorov – Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; ppfedorov@yandex.ru
Corresponding author: P. P. Fedorov, ppfedorov@yandex.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2022-13-6-698-708
ABSTRACT High-lignin content cellulose nanofibrils (LCNF) were successfully prepared from thermomechanical pulp through TEMPO-catalyzed oxidation, followed by ultrasonic treatment. Preparation protocols of the LCNFs included use of the mild pre-hydrolysis of the thermomechanical pulp and adjustment of sodium hypochlorite loading for the samples with the 23.8 and 14.1 wt.% lignin content, resulting in the increase of the carboxyl group content from 0.70 to 1.24 mmol/g. LCNFs had a diameter of 14 5 nm (AFM evaluation); and the LCNF morphology was affected by contents of both lignin and carboxyl groups. The translucent LCNF films were prepared by solution casting technique. They exhibited the heightened water contact angle of 75–82 °, an increased thermal stability up to 275 °C compared to lignin-free cellulose nanofibril films (39 ° and 203 °C, respectively), and excellent UV-blocking ability in a wide spectrum range from 200 to 375 nm. The said LCNFs can be successfully used for manufacturing the packaging materials and/or making the biopolymer composites.
KEYWORDS cellulose, lignin, nanofibrils, nanocomposites, UV-blocking ability.
ACKNOWLEDGEMENTS This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education within the State assignment to Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences. The TG measurements were supported by the equipment of the Collective Use Center of the Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences. We thank Volga Corporation for providing thermomechanical pulp sample. Authors express their sincere gratitude to Dr. Arthur I. Popov for his most kind assistance in the preparation of the present manuscript and Mr. Ilya Tronev for conductometric titration measurements.
FOR CITATION Luginina A.A., Kuznetsov S.V., Alexandrov A.A., Gainutdinov R.V., Petukhov D.I., Voronov V.V., Chernova E.V., Fedorov P.P. High lignin content cellulose nanofibrils obtained from thermomechanical pulp. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (6), 698–708.
[In Russian] А.А. Лугинина, С.В. Кузнецов, А.А. Александров, Р.В. Гайнутдинов, Д.И. Петухов, В.В. Воронов, Е.В.Чернова, П.П. Федоров
Нанофибриллы целлюлозы с высоким содержанием лигнина, полученные из термомеханической массы
УДК 547.458.81+54-168+674.8
АННОТАЦИЯ Нанофибриллы целлюлозы с высоким содержанием лигнина (ЛЦНФ) были успешно получены из термомеханической массы путем ТЕМПО-окисления с последующей ультразвуковой обработкой. Процесс получения ЛЦНФ с содержанием лигнина 23,8 и 14,1 мас.% включал в себя использование мягкого предварительного гидролиза термомеханической массы и регулирование загрузки гипохлорита натрия, что позволило увеличить содержание в них карбоксильных групп с 0,70 до 1,24 ммоль/г. По оценке методом атомно-силовой микроскопии ЛЦНФ имели диаметр 14 ± 5 нм. Морфология ЛЦНФ определялась как содержанием лигнина, так и содержанием карбоксильных групп. Полупрозрачные пленки ЛЦНФ были изготовлены методом литья из раствора. Они показали повышенный краевой угол смачивания водой 75–82°, повышенную термостабильность до 275°С по сравнению с пленками из нанофибрилл ТЕМПО-окисленной чистой целлюлозы 39° и 203°С, соответственно, и превосходную УФ-блокирующую способность в широком диапазоне спектра от 200 до 375 нм. Указанные ЛЦНФ могут быть успешно использованы для изготовления упаковочных материалов и биополимерных композитов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА целлюлоза, лигнин, нанофибриллы, нанокомпозиты, блокировка УФ-излучения
