Mechanical, morphological and comparative properties of microbeads assembled from carboxylated cellulose nanocrystals

文献情報

出版日 2023-11-16
DOI 10.1039/D3TA05298B
インパクトファクター 12.732
著者

Junqi Wu, Mark P. Andrews


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要旨

While carboxylated cellulose nanocrystal (cCNC) microbeads are an emerging class of sustainable alternatives to microplastics, their expanded potential lies in diverse fields like drug delivery, cosmetics and personal care, agriculture, chromatography, water remediation and microencapsulation. Among the functional attributes relevant to these applications are the mechanical and morphological properties of cCNC-derived microbeads, where the cCNC nanorods are quench-condensed into spheres by spray drying. Based on the Hertz model, we report the elastic moduli of spray dryed cCNC microbeads. These were measured by Atomic Force Microscopy (AFM) utilizing a 1 μm diamond-like carbon microsphere attached to the cantilever tip. This tip was shown to eliminate non-uniform readings that are otherwise obtained from sharp probe tips when interrogating rough and nanoporous surfaces. The Young's modulus and spherical morphology of cCNC microbeads were shown to depend on the spray drying parameters within a low Peclet number regime. Spray drying from dilute cCNC suspensions yielded particles with a modulus of 18 MPa. Higher cCNC feed concentrations yielded denser nanorod packing into spheres with elastic moduli on the order of 25 MPa. The microbead moduli could be chemically tuned by reacting the nanorods with a naturally sourced polyacid in the aqueous aerosol phase, without addition of a catalyst. Accordingly, citric acid additions to the nanorod feed suspensions resulted in nanorod esterification and crosslinking, whilst still yielding microspheres. Esterification increased the hybrid microbead Young's modulus to 28 MPa. cCNC-derived microbeads were found to be stiffer than microbeads derived from collagen, hyaluronic acid, alginate, or dextran, but were not as stiff as urethane-acrylate crosslinked beads, or cellulose beads reconstituted from dissolved cellulose polymers by emulsion-precipitation.

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Journal of Materials Chemistry A

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Journal of Materials Chemistry A, B & C cover high quality studies across all fields of materials chemistry. The journals focus on those theoretical or experimental studies that report new understanding, applications, properties and synthesis of materials. The journals have a strong history of publishing quality reports of interest to interdisciplinary communities and providing an efficient and rigorous service through peer review and publication. The journals are led by an international team of Editors-in-Chief and Associate Editors who are all active researchers in their fields. Journal of Materials Chemistry A, B & C are separated by the intended application of the material studied. Broadly, applications in energy and sustainability are of interest to Journal of Materials Chemistry A, applications in biology and medicine are of interest to Journal of Materials Chemistry B, and applications in optical, magnetic and electronic devices are of interest to Journal of Materials Chemistry C. More than one Journal of Materials Chemistry journal may be suitable for certain fields and researchers are encouraged to submit their paper to the journal that they feel best fits for their particular article. Example topic areas within the scope of Journal of Materials Chemistry A are listed below. This list is neither exhaustive nor exclusive. Artificial photosynthesis Batteries Carbon dioxide conversion Catalysis Fuel cells Gas capture/separation/storage Green/sustainable materials Hydrogen generation Hydrogen storage Photocatalysis Photovoltaics Self-cleaning materials Self-healing materials Sensors Supercapacitors Thermoelectrics Water splitting Water treatment

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