REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Celuloza, ki jo sintetizirajo zelene rastline, je najbolj razširjen naravni biopolimer na planetu, zaradi česar je široko dostopna, poceni in hitro obnovljiva. Poleg tega nam njena hierarhična struktura omogoča ekstrakcijo nanodelcev v obliki celuloznih nanokristalov (CNC) preko hidrolize ali celuloznih nanofibrilov (CNF), pridobljenih s kemijsko in biološko obdelavo in mehansko fibrilacijo. Eno izmed oblik slednje lahko proizvedejo tudi nekatere bakterije, pri čemer nastane bakterijska nanoceluloza (BNC). Vsi ti celulozni nanomateriali imajo visoko specifično površino in mehansko trdnost, ki sta zelo zaželeni v številnih aplikacijah.
V disertaciji smo najprej uporabili vse naštete vrste celuloznih nanomaterialov kot primarne biopolimeri za izdelavo filmov ali kot ojačevalce v kompozitnih filmih na osnovi hitozana in alginata. Da bi pokazali njihov potencial kot trajnostni embalažni material, smo ocenili tehnične specifikacije folij - natezno trdnost (TS), raztezek ob pretrganju (ε), prepustnost kisika (OTR), prepustnost vodne pare (WVT) in kontaktni kot z vodo (WCA). Za širšo uporabo je potrebno izboljšanje odpornosti na vodo, kar je mogoče doseči s funkcionalizacijo celuloznih nanomaterialov pred njihovo vključitvijo v naraven biopolimer ali s površinsko obdelavo že izdelanega biopolimernega filma.
Literatura s področja hidrofobizacije celuloznih nanomaterialov je bila temeljito pregledana, da bi določili možne pristope k modifikacijam in odkrili vrzeli v znanju. Medtem ko so možnosti kemičnih funkcionalizacij (esterifikacija, sililacija, karbamacija, eterifikacija in klik-kemija) dobro raziskane, primanjkuje temeljitih študij o mehanizmih in kinetiki teh reakcij, razumevanje katerih je ključnega pomena za prenos na industrijsko skalo. Poleg tega je celovit pregled pokazal, da čeprav je uporaba plazemske tehnologije hitra in učinkovita za hidrofobizacijo celuloznih (nano)materialov, je število objavljenih študij omejeno.
Z ozirom na to so bili filmi na osnovi CNF obdelani s fluoroogljikovo plazmo, kar je drastično povečalo WCA z začetnih 46° na 130° že v prvih 30 s obdelave. Razlog za spremembo leži v novonastalih C-F3, C-F2 in C-F vezeh, ki so bile identificirane z visokoločljivostnim C 1s XPS, Ramansko spektroskopijo in ATR-FTIR. Takšna obdelava je bila razširjena na filme na osnovi hitozana z dodanimi CNC-ji, pri čemer smo preučevali stabilnost lastnosti, ki so pomembne za pakirano embalažo (TS, ε, WVT in WCA) v 30 dneh po hidrofobizaciji. Poleg tega z analizo LC-MS ni bilo ugotovljeno izpiranje komponent fluora v različne tekočine. Čeprav obdelava biopolimernih filmov z RF-generirano plazmo v fluoroogljiku zelo hitra in zagotavlja stabilno hidrofobno prevleko, lahko fluorirane spojine povzročijo motnje v presnovi v višjih koncentracijah. V nadaljnjem delu smo zato iskali alternativen plin, ki bi nadomestil fluoroogljike. Ugotovljeno je bilo, da plazma, ustvarjena v N2, zagotavlja enak rezultat hidrofobne površine, pri čemer se izognemo uporabi fluorovih spojin.
Za izpolnitev drugih ciljev – prispevek k znanju o mehanizmih in kinetiki funkcionalizacijskih reakcij – je bila obravnavana reakcija esterifikacije celuloznih nanomaterialov z anhidridom ocetne kisline v prisotnosti piridina. Kombinirana računalniška in eksperimentalna študija te reakcije, ki je bila izvedena na CNC in CNF, nakazuje na dva konkurenčna reakcijska mehanizma in podaja kinetične parametre preko mikrokinetičnega modeliranja obeh materialov. Za prikaz praktične uporabe površinske acetilacije celuloznih nanomaterialov so bili CNC modificirani do različnih stopenj substitucije in vgrajeni v filme na osnovi alginata in hitozana. Ti so bili nato izpostavljeni okoljem različnih vlažnosti, da bi ocenili njihov učinek na TS, ε, vsebnost vlage in WVT. Za vpogled v dogajanje ob koncu življenjske dobe filmov so bile izvedene študije biorazgradnje alginata in hitozana na osnovi nemodificiranih in acetiliranih CNC v aktivnem blatu, kjer smo biorazgradnjo spremljali 5 dni preko respirometrije v sistemu OxiTop.