Nanocrystalline cellulose self-assembly: Control ...

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Nanocrystalline cellulose self‐assembly: Control, mechanism and applications Stephanie Beck, Jean Bouchard and Richard Berry Presented by: Jean Bouchard, Ph.D.  Principal Scientist FPInnovations

FPInnovations: Who are we? • The largest NFP research institute in  the forestry and forest products  sector • 550 employees • Six R & D laboratories • Annual budget of ~ $90 M • We cover the entire value chain,  from the forest to consumer  products

From the tree to NCC cell walls crystalline region microfibril :

amorphous region

sulfuric acid

nanocrystalline cellulose

NCC

NCC timeline 1949: First colloidal cellulose suspension (Rånby) 1952: Rodlike NCC structure by TEM (Mukherjee et al.) 1959: Liquid crystal properties of NCC (Marchessault et al.) 1992: NCC first extracted from wood pulp (Revol et al.) 1995: First observation of iridescent,  coloured solid NCC films (Gray et al.) 2006: Launch of the first NCC pilot plant (0.5 kg/day) 2007‐2010: Process improvement and development of applications 2010: Construction of demonstration plant

New joint venture: Demonstration plant 

1 ton NCC per day

Domtar mill, Windsor, Québec ƒ First in the world ƒ Investment of 40M$. Support from Québec and Federal 

governments ƒ Design: Canadian engineering firm ƒ Start‐up: Fall 2011 

CN texture preserved in solid films US Patent 5,629,055 (FPInnovations, May 1997)

evaporation/

P/2

concentration isotropic suspension chiral nematic liquid crystal

λ = n P sinθ

evaporation to dryness

θ ≈ 90° 10° 45°

Iridescent solid NCC films

Control of iridescence colour I US Patent 5,629,055 (FPInnovations, May 1997)

• Adding electrolyte to NCC suspension prior to  evaporation causes blue‐shift of films’ peak  reflection wavelength: 0% NaCl

0.05% NaCl

0.1% NaCl

0.2% NaCl

0.4% NaCl

• Chiral nematic pitch is shortened • Range of reflection colours obtained from one  suspension Revol, Godbout and Gray JPPS 1998, 24(5), 146‐149.

Control of iridescence colour II US Patent Application 12/768,891 (FPInnovations, 2010)

• Sonication of NCC suspension prior to film casting  causes a red‐shift of peak reflection wavelength: 0 J

200 J

500 J

750 J

Initial NCC suspension

• Red‐shift increases with increasing applied  ultrasound energy; IR region can be reached • No additives required Beck, Bouchard, Berry Biomacromolecules 2011, 12(1), 167‐172.

1300 J

Control of iridescence colour II

)

no sonication λmax