Synthesis of nanostructured bacterial nitrocellulose

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This work investigates an approach to the synthesis of nitrocellulose from bacterial cellulose. Bacterial cellulose demonstrates a high polymerization degree of 4600 and, according to SEM, consists of a dense network of nanosized microfibrils. IR spectroscopy identified functional groups corresponding to natural cellulose. Samples of nanostructured bacterial nitrocellulose were obtained in 156-159% yield by treating bacterial cellulose with an industrial mixture of 47-52% nitric acid and 34-38% sulfuric acid. The obtained samples proved to be completely soluble in acetone, which confirmed the formation of nitric acid cellulose ethers. The samples were found to have similar functional properties: the mass nitrogen fraction of 11.65-11.78%; the viscosity of 963-1282 mPas; the solubility in an alcohol-ether mixture of 12.9-14.1%. The conducted SEM analysis showed that nitration of bacterial cellulose leads to disorganization of the dense network of microfibrils. The production of nitric acid cellulose ethers was established by IR spectroscopy according to the presence of functional nitro groups. The methods of thermogravimetric and differential thermal analysis confirmed the high purity of the synthesized materials. The novelty of the conducted study lies in a comparative analysis of the properties of nitrocellulose samples synthesized from bacterial cellulose using different pre-treatment methods, as well as in the application of acid mixtures and nitration conditions different from those reported in literature. The obtained results indicate the feasibility of using nanostructured bacterial cellulose as a precursor of novel nitrocellulose materials for application in knowledge intensive fields and as an alternative to nitrocellulose obtained from plant cellulose.

About the authors

Yu. A. Gismatulina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: julja.gismatulina@rambler.ru

A. A. Korchagina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: yakusheva89_21.ru@mail.ru

V. V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

References

  1. Tarchoun A.F., Trache D., Klapotke T.M., Abdelaziz A., Bekhouche S., Boukeciat H., et al. Making progress towards promising energetic cellulosic microcrystals developed from alternative lignocellulosic biomasses // Journal of Energetic Materials. 2022. P. 1-26. https://doi.org/10.1080/07370652.2022.2032484.
  2. Sabatini J.J., Johnson E.C. A short review of nitric esters and their role in energetic materials // ACS Omega. 2021. Vol. 6, no. 18. P. 11813-11821. 10.1021/acsomega.1c01115' target='_blank'>https://doi: 10.1021/acsomega.1c01115.
  3. Tarchoun A.F., Trache D., Klapotke T.M., Abdelaziz A., Derradji M., Bekhouche S. Chemical design and characterization of cellulosic derivatives containing high-nitrogen functional groups: towards the next generation of energetic biopolymers // Defence Technology. 2022. Vol. 18, no. 4. P. 537-546. https://doi.org/10.1016/j.dt.2021.03.009.
  4. Tang R., Xie M.Y., Li M., Cao L., Feng S., Li Z., Xu F. Nitrocellulose membrane for paper-based biosensor // Applied Materials Today. 2022. Vol. 26. P. 101305. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101305.
  5. Tang R., Alam N., Li M., Xie M., Ni Y. Dissolvable sugar barriers to enhance the sensitivity of nitrocellulose membrane lateral flow assay for COVID-19 nucleic acid // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 268. P. 118259. https://10.1016/j.carbpol.2021.118259.
  6. Xu C., Zhao Z., Qiao Z., Li X., Yang H., Tang D.Y., et al. Reactivity of nanothermite-based micro energetic sticks prepared by direct ink writing // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 438. P. 135608. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135608.
  7. Bekhouche S., Trache D., Abdelaziz A., Tarchoun A.F., Chelouche S., Boudjellal A., et al. Preparation and characterization of MgAl-CuO ternary nanothermite system by arrested reactive milling and its effect on the thermocatalytic decomposition of cellulose nitrate // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 453. P. 139845. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139845.
  8. Luo Q., Zhu J., Li Z., Duan X., Pei C., Mao C. The solution characteristics of nitrated bacterial cellulose in acetone // New Journal of Chemistry. 2018. Vol. 42, no. 22. P. 18252-18258. https://doi.org/10.1039/C8NJ02018C.
  9. Корчагина А.А., Будаева В.В., Алешина Л.А., Люханова И.В., Бычин Н.В., Сакович Г.В. Модификация растительной целлюлозы и ее синтетического аналога в низкозамещенные продукты этерификации // Известия вузов учебных заведений. Химия и химическая технология. 2022. Т. 65. N 6. P. 64-74. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226506.6598.
  10. Urbina L., Corcuera M.A., Gabilondo N., Eceiza A., Retegi A. A review of bacterial cellulose: sustainable production from agricultural waste and applications in various fields // Cellulose. 2021. Vol. 28, no. 13. P. 8229-8253. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04020-4.
  11. Pandit A., Kumar R. A review on production, characterization and application of bacterial cellulose and its biocomposites // Journal of Polymers and the Environment. 2021. Vol. 29, no. 9. P. 2738-2755. https://doi.org/10.1007/s10924-021-02079-5.
  12. Jamal S.H., Roslan N.J., Shah N.A.A., Noor S.A.M., Ong K.K., Yunus W.M.Z.W. Preparation and characterization of nitrocellulose from bacterial cellulose for propellant uses // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 29. P. 185-189. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.540.
  13. Wang Y., Jiang L., Dong J., Li B., Shen J., Chen L., et al. Three-dimensional network structure nitramine gun propellant with nitrated bacterial cellulose // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9, no. 6. P. 15094-15101. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.10.097.
  14. Jamal S.H., Roslan N.J., Ahmad Shah N.A., Mohd Noor S.A., Khim O.K., Yunus W.M.Z.W. Conversion of bacterial cellulose to cellulose nitrate with high nitrogen content as propellant ingredient // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 317. P. 305-311. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.317.305.
  15. Chen L., Cao X., Gao J., He W., Liu J., Wang Y., et al. Nitrated bacterial cellulose-based energetic nanocomposites as propellants and explosives for military applications // ACS Applied Nano Materials. 2021. Vol. 4, no. 2. P. 1906-1915. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c03263.
  16. Chen L., Nan F., Li Q., Zhang J., Jin G., Wang M., et al. Sol-gel synthesis of insensitive nitrated bacterial cellulose/cyclotrimethylenetrinitramine nano-energetic composites and its thermal decomposition property // Cellulose. 2022. Vol. 29, no. 13. P. 7331-7351. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04730-3.
  17. Tarchoun A.F., Trache D., Abdelaziz A., Harrat A., Boukecha W.O., Hamouche M.A., et al. Elaboration, characterization and thermal decomposition kinetics of new nanoenergetic composite based on hydrazine 3-nitro-1, 2, 4-triazol-5-one and nanostructured cellulose nitrate // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 20. P. 6945. https://doi.org/10.3390/molecules27206945.
  18. Tarchoun A.F., Sayah Z.B.D., Trache D., Klapotke T.M., Belmerabt M., Abdelaziz A., et al. Towards investigating the characteristics and thermal kinetic behavior of emergent nanostructured nitrocellulose prepared using various sulfonitric media // Journal of Nanostructure in Chemistry. 2022. Vol. 12. P. 963-977. https://doi.org/10.1007/s40097-021-00466-x.
  19. Yamamoto H., Horii F., Hirai A. Structural studies of bacterial cellulose through the solid-phase nitration and acetylation by CP/MAS 13C NMR spectroscopy // Cellulose. 2006. Vol. 13, no. 3. P. 327-342. https://doi.org/10.1007/s10570-005-9034-z.
  20. Sun D.-P., Ma B., Zhu C.-L., Liu C.-S., Yang J.-Z. Novel nitrocellulose made from bacterial cellulose // Journal of Energetic Materials. 2010. Vol. 28, no. 2. P. 8597. https://doi.org/10.1080/07370650903222551.
  21. Roslan N.J., Jamal S.H., Ong K.K., Yunus W.M.Z.W. Preliminary study on the effect of sulphuric acid to nitric acid mixture composition, temperature and time on nitrocellulose synthesis based Nata de Coco // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 317. P. 312-319. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.317.312.
  22. Gismatulina Y.A., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Synthesis of bacterial cellulose nitrates // Russian Chemical Bulletin. 2019. Vol. 68, no. 11. P. 2130-2133. https://doi.org/10.1007/s11172-019-2678-x.
  23. Budaeva V.V., Gismatulina Y.A., Mironova G.F., Skiba E.A., Gladysheva E.K., Kashcheyeva E.I., et al. Bacterial nanocellulose nitrates // Nanomaterials. 2019. Vol. 9. P. 1694. https://doi.org/10.3390/nano9121694.
  24. Huang X., Luo Q., Zhu J., Li Z., Zhao J., Pei C. Development rheological and thermal properties of a novel propellant RDX/TEGDN/NBC // SN Applied Sciences. 2020. Vol. 2, no. 12. P. 1-12. https://doi.org/10.1007/s42452-020-03792-x.
  25. Huang X., Luo Q., Zhu J., Li Z., Li C., Pei C. The preparation and rheological properties of novel energetic composites TEGDN/NBC // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2020. Vol. 45, no. 1. P. 101-110. https://doi.org/10.1002/prep.201800350.
  26. Mattar H., Baz Z., Saleh A., Shalaby A.S., Azzazy A.E., Salah H., et al. Nitrocellulose: structure, synthesis, characterization, and applications // Water, Energy, Food Environment. 2020. Vol. 3. P. 1-15. http://dx.doi.org/10.18576/wefej/010301.
  27. Liu P., Fu L., Song Z., Man M., Yuan H., Zheng X., et al. Three dimensionally printed nitrocellulose-based microfluidic platform for investigating the effect of oxygen gradient on cells // Analyst. 2021. Vol. 146, no. 17. P. 5255-5263. https://doi.org/10.1039/D1AN00927C.
  28. Gladysheva E.K., Skiba E.A., Zolotukhin V.N., Sakovich G.V. Study of the conditions for the biosynthesis of bacterial cellulose by the producer Medusomyces gisevii Sa-12 // Applied Biochemistry and Microbiology. 2018. Vol. 54, no. 2. P. 179-187. https://doi.org/10.1134/S0003683818020035.
  29. Bogolitsyn K., Parshina A., Aleshina L. Structural features of brown algae cellulose // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 9787-9800. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03485-z.
  30. Korchagina А.А., Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Zolotukhin V.N., Bychin N.V., Sakovich G.V. Miscanthus x Giganteus var. KAMIS as a new feedstock for cellulose nitrates // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2020. Vol. 13, no. 4. P. 565-577. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0206.
  31. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Nitrocellulose synthesis from Miscanthus cellulose // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2018. Vol. 43. P. 96-100. https://doi.org/10.1002/prep.201700210.
  32. Лен в пороховой промышленности / под ред. С.И. Григорова. М.: ЦНИИХМ, 2015. 348 с.
  33. Liu J. Nitrate esters chemistry and technology. Springer Singapore, 2019. 684 p. https://doi.org/10.1007/978-981-13-6647-5.
  34. Solovov R., Kazberova A., Ershov B. Special aspects of nitrocellulose molar mass determination by dynamic light scattering // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 2. P. 263. https://doi.org/10.3390/polym15020263.
  35. Venkateshaiah A., Padil V.V., Nagalakshmaiah M., Waclawe S., Cernik M., Varma R.S. Microscopic techniques for the analysis of micro and nanostructures of biopolymers and their derivatives // Polymers. 2020. Vol. 12, no. 3. P. 512-544. https://doi.org/10.3390/polym12030512.
  36. Gao Z., Jiang L., Xu Q., Wub W.Q., Mensah R.A. Thermal kinetics and reactive mechanism of cellulose nitrate decomposition by traditional multi kinetics and modeling calculation under isothermal and non-isothermal conditions // Industrial Crops and Products. 2020. Vol. 145. P. 112085. https://doi.org/10.1016/j.ind-crop.2020.112085.
  37. Meng X., Pu C., Cu P., Xiao Z. Preparation, thermal and sensitivity properties of nano-sized spherical nitrocellulose composite crystal // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2020. Vol. 45. P. 1-11. https://doi.org/10.1002/prep.201900319.
  38. Михайлов Ю.М., Романько Н.А., Гатина Р.Ф., Климович О.В., Альмашев Р.О. Спектральное исследование целлюлозы и нитратов целлюлозы // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы. 2010. N 1. С. 52-62.
  39. Tarchoun A.F., Trache D., Klapotke T.M., Krumm B., Mezroua A., Derradji M., et al. Design and characterization of new advanced energetic biopolymers based on surface functionalized cellulosic materials // Cellulose. 2021. Vol. 28, no. 10. P. 6107-6123. https://doi.org/10.1007/s10570-021-03965-w.
  40. Tarchoun A.F., Trache D., Klapotke T.M., Chelouche S., Derradji M., Bessa W., et al. A promising energetic polymer from Posidonia oceanica Brown algae: synthesis, characterization, and kinetic modeling // Macromolecular Chemistry and Physics. 2019. Vol. 220, no. 22. P. 1900358. https://doi.org/10.1002/macp.201900358.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».