Properties of cellulose nitrates produced by nitration of bacterial cellulose using mixed sulfuric-nitric acids

封面

如何引用文章

全文:

详细

   The study set out to investigate the chemical functionalization of bacterial cellulose as an alternative means of satisfying the high demand for nano-sized cellulose nitrates.   Using a Medusomyces gisevii Sa-12 symbiotic culture as a microbial producer, bacterial cellulose having a polymerization degree of 3950 was obtained on a synthetic glucose medium. Nitration was carried out using mixed sulfuric-nitric acids differing in their water content, followed by stabilization of the synthesized bacterial cellulose nitrates. Subject to a varying water content (14, 16 and 20 %) in the nitrating mixture, the obtained bacterial cellulose nitrates exhibited a nitrogen mass content of 8.68–11.56 %, a solubility in alcohol-ether mixture of 16.5–91.0 % and a viscosity of 32–255 mPa×s. The bacterial cellulose nitrate fibers were shown to have a nanoscale nature. Coupled thermogravimetric and differential thermal analyses revealed the bacterial cellulose nitrates to have a high chemical purity and energy content. FTIR spectroscopy confirmed the high quality of the bacterial cellulose based on the presence of basic functional groups characteristic of conventional cellulose: 3371, 2943, 1633, 1428, 1371, 1163, and 1112 cm-1. According to their infrared spectra, the detected basic functional groups corroborate that the synthesized products are low-substituted cellulose nitrate esters: 1660–1643, 1282-1276, 847–837, 752–749, and 691–690 cm-1. The relationship between the properties of the synthesized bacterial cellulose nitrates and the water mass content in mixed sulfuric-nitric acids is shown to have a complex nature.

作者简介

P. Gorbatova

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS; Biysk Technological Institute, Polzunov Altai State Technical University

Email: 1402plngorbatova@mail.ru

A. Korchagina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: yakusheva89_21.ru@mail.ru

Yu. Gismatulina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: julja.gismatulina@rambler.ru

N. Shavyrkina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS; Biysk Technological Institute, Polzunov Altai State Technical University

Email: 32nadina@mail.ru

V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

参考

  1. Andriani D., Apriyana A.Y., Karina M. The optimization of bacterial cellulose production and its applications : a review // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 6747–6766. doi: 10.1007/s10570-020-03273-9.
  2. Рогожин В.В., Рогожин Ю.В. Medusomyces gisevii: строение, функционирование и использование // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 4. С. 24–35. doi: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-24-35. EDN: YMQFOA.
  3. Hu W., Chen S., Yang J., Li Z., Wang H. Functionalized bacterial cellulose derivatives and nanocomposites // Carbohydrate Polymers. 2014. Vol. 101. P. 1043–1060. doi: 10.1016/j.carbpol.2013.09.102.
  4. Rahman M.S., Hasan M.S., Nitai A.S., Nam S., Karmakar A.K., Ahsan M.S., et al. Recent developments of carboxymethyl cellulose // Polymers. 2021. Vol. 13, no. 8. P. 1345. doi: 10.3390/polym13081345.
  5. Alharbi N.D., Guirguis O.W. Macrostructure and optical studies of hydroxypropyl cellulose in pure and Nano-composites forms // Results in Physics. 2019. Vol. 15. P. 102637. doi: 10.1016/j.rinp.2019.102637.
  6. Tan W., Zhang J., Zhao X., Li Q., Dong F., Guo Z. Preparation and physicochemical properties of antioxidant chitosan ascorbate/methylcellulose composite films // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 146. P. 53–61. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2019.12.044.
  7. Nursyafiqah J.R., Siti Hasnawati J., Jahwarhar Izuan A.R., Mohd Nor Faiz N., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. Response surface methodology for optimization of nitrocellulose preparation from nata de coco bacterial cellulose for propellant formulation // Heliyon. 2024. Vol. 10, no. 4. P. e25993. doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e25993.
  8. Siti Hasnawati J., Nursyafiqah J.R., Noor Aisyah A.S., Siti Aminah M.N., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. Conversion of bacterial cellulose to cellulose nitrate with high nitrogen content as propellant ingredient // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 317. P. 305–311. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/SSP.317.305' target='_blank'>www.scientific.net/SSP.317.305.
  9. Nursyafiqah J.R., Siti Hasnawati J., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. 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. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/SSP.317.312' target='_blank'>www.scientific.net/SSP.317.312.
  10. Huang J., Zhao M., Hao Y., Wei Q. Recent advances in functional bacterial cellulose for wearable physical sensing applications // Advanced Materials Technologies. 2022. Vol. 7, no. 1. P. 2100617. doi: 10.1002/admt.202100617.
  11. Chandel N., Jain K., Jain A., Raj T., Patel A.K., Yang Y.-H., et al. The versatile world of cellulose-based materials in healthcare: from production to applications // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 201. P. 116929. doi: 10.1016/j.indcrop.2023.116929.
  12. Cao X., Nan F., Zheng Y., Chen L., He W. Hygroscopicity of nitrocellulose with different nitrogen content // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2024. Vol. 49, no. 3. P. e202300035. doi: 10.1002/prep.202300035.
  13. Chen L., Cao X., Gao J., Wang Y., Zhang Y., Liu J., et al. Synthesis of 3D porous network nanostructure of nitrated bacterial cellulose gel with eminent heat-release, thermal decomposition behaviour and mechanism // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2021. Vol. 46, no. 8. P. 1292–1303. doi: 10.1002/prep.202100010.
  14. Shavyrkina N.A., Skiba E.A., Kazantseva A.E., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Bychin N.V., et al. Static culture combined with aeration in biosynthesis of bacterial cellulose // Polymers. 2021. Vol. 13, no. 23. P. 4241. doi: 10.3390/polym13234241.
  15. 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 высших учебных заведений. Серия Химия и химическая технология. 2022. Т. 65. N 6. С. 64–74. doi: 10.6060/ivkkt.20226506.6598. EDN: QGXUCZ.
  16. 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, no. 12. P. 1694. doi: 10.3390/nano9121694.
  17. 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. 85–97. doi: 10.1080/07370650903222551.
  18. Liu J. Nitrate esters chemistry and technology. Singapore: Springer, 2019. 684 p. doi: 10.1007/978-981-13-6647-5.
  19. Gismatulina Yu.A. Promising energetic polymers from nanostructured bacterial cellulose // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 9. P. 2213. doi: 10.3390/polym15092213.
  20. Singhania R.R., Patel A.K., Tseng Y.-S., Kumar V., Chen C.-W., Haldar D., et al. Developments in bioprocess for bacterial cellulose production // Bioresource Technology. 2022. Vol. 344. P. 126343. doi: 10.1016/j.biortech.2021.126343.
  21. Wahid F., Huang L.-H., Zhao X.-Q., Li W.-C., Wang Y.-Y. Bacterial cellulose and its potential for biomedical applications // Biotechnology Advances. 2021. Vol. 53. P. 107856. doi: 10.1016/j.biotechadv.2021.107856.
  22. Trache D., Khimeche K., Mezroua A., Benziane M. Physicochemical properties of microcrystalline nitrocellulose from Alfa grass fibres and its thermal stability // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2016. Vol. 124. P. 1485–1496. doi: 10.1007/s10973-016-5293-1.
  23. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Selmani A., Saada M., Chelouche S., et al. New insensitive high-energy dense biopolymers from giant reed cellulosic fibers: their synthesis, characterization, and non-isothermal decomposition kinetics // New Journal of Chemistry. 2021. Vol. 45, no. 11. P. 5099–5113. doi: 10.1039/d0nj05484d.
  24. Duan X., Li Z., Shi X., Pei C. Giant panda feces: potential raw material in preparation of nitrocellulose for propellants // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 3127–3140. doi: 10.1007/s10570-023-05054-6.
  25. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke 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. doi: 10.1002/macp.201900358.
  26. Gao X., Jiang L., Xu Q., Wu 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. doi: 10.1016/j.indcrop.2020.112085.
  27. Duan X., Li Z., Wu B., Shen J., Pei C. Preparation of nitrocellulose by homogeneous esterification of cellulose based on ionic liquids // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2023. Vol. 48, no. 2. P. e202200186. doi: 10.1002/prep.202200186.
  28. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke 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. P. 6107–6123. doi: 10.1007/s10570-021-03965-w.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML


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».