Accepted Manuscript Title: True molecular solutions of natural cellulose in the binary ionic liquid-containing solvent mixtures Author: Dmitry M. Rein Rafail Khalfin Noemi Szekely Yachin Cohen PII: DOI: Reference:

S0144-8617(14)00536-0 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.carbpol.2014.05.059 CARP 8926

To appear in: Received date: Revised date: Accepted date:

27-1-2014 23-4-2014 22-5-2014

Please cite this article as: Rein, D. M., Khalfin, R., Szekely, N., and Cohen, Y.,True molecular solutions of natural cellulose in the binary ionic liquid-containing solvent mixtures, Carbohydrate Polymers (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.05.059 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Highlights

1  •

Cellulose dissolves molecularly in mixtures of organic solvents and ionic liquid.





Scattering measurements and TEM imaging showed insignificant molecular aggregation.





Highly concentrated cellulose/IL solutions are prepared by co-solvent evaporation.





Facile cellulose dissolution correlates with higher conductivity of solvent mixture.

cr

ip t





us

7  8 

an



Ac ce p

te

d

M

10 

1   

Page 1 of 34

True molecular solutions of natural cellulose in the binary 

10 

ionic liquid‐containing solvent mixtures 

12 

Dmitry M. Rein a,*, Rafail Khalfin a, Noemi Szekely b, Yachin Cohen a 

ip t

11 

13 



14 



15 

Garching Germany 

Faculty of Chemical Engineering, Technion – Israel Institute of Technology, Haifa 32000, Israel; 

cr

Jülich Centre for Neutron Science, Forschungszentrum Jülich GmbH Outstation at MLZ, 85747 

us

16 

Abstract  

17 

Evidence  is  presented  for  the  first  time  of  true  molecular  dissolution  of  cellulose  in  binary  mixtures  of  common  polar  organic  solvents  with  ionic  liquid.  Cryogenic  transmission  electron  microscopy,  small‐angle  neutron‐,  x‐ray‐  and  static light scattering were used to investigate the structure of cellulose solutions in  mixture  of  dimethyl  formamide  and  1‐ethyl‐3‐methylimidazolium  acetate.  Structural  information  on  the  dissolved  chains  (average  molecular  weight  ~5∙104  g/mol; gyration radius ~36 nm, persistence length ~4.5 nm), indicate the absence of  significant  aggregation  of  the  dissolved  chains  and  the  calculated  value  of  the  second virial coefficient ~2.45∙10‐2 mol∙ml/g2 indicates that this solvent system is a  good solvent for cellulose. More facile dissolution of cellulose could be achieved in  solvent  mixtures  that  exhibit  the  highest  electrical  conductivity.  Highly  concentrated cellulose solution in pure ionic liquid (27 wt. %) prepared  according  to novel method, utilizing the rapid evaporation of a volatile co‐solvent in binary  solvent  mixtures  at  superheated  conditions,  shows  insignificant  cellulose  molecular aggregation.  

38 

___________________________________________________________________ 

39  40  41  42 

*Corresponding author. Tel.: +972 4 8292113; fax: +972 4 829 5672. E‐mail: [email protected] 

Ac ce p

te

d

M

an

18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 

   

Keywords:  cellulose  true  molecular  solution;  amorphous  amphiphilic  cellulose; binary solvent mixture; small‐angle neutron‐, x‐ray‐ diffraction   

Authors’ e‐mails: R. Khalfin: [email protected]; N. Szekely: n.szekely@fz‐juelich.de; Y. Cohen:  [email protected]   

2   

Page 2 of 34

43 

1. 

Introduction  One  major  disadvantage  of  natural  cellulose,  regarding  its  industrial 

45 

application, is that due to its crystal fibril structure and the significant presence of 

46 

intermolecular  hydrogen  bonding  and  hydrophobic  interactions  (Medronho, 

47 

Romano,  Miguel,  Stigsson  &  Lindman,  2012),  it  is  insoluble  in  common  solvents. 

48 

Nevertheless  after  years  of  research  many  specific  cellulose  solvents  were  found, 

49 

some of which are used now in the manufacture of commercial cellulose products 

50 

(viscose and cuprammonium fibers, Lyocell®, etc.). 

us

cr

ip t

44 

Derivatives  of  cellulose  (Hunt,  Newman,  Scheraga,  &  Flory,  1956)  or  its 

52 

metallo‐complexes  (Burchard  &  Klufers,  1994)  are  formed  by  an  interaction 

53 

between  cellulose  and  the  corresponding  solvent  components.  In  such  solutions 

54 

the macromolecules of cellulose are claimed to be completely separated from each 

55 

other, and their dimension in the dissolved state is defined by its gyration radius 

56 

(Rg), which is close to the size of a single macromolecule. For example, in cadmium 

57 

complexing Cd‐tris (2 aminoethyl) amine solution, the size of cellulose particles is 

58 

equal to about 20 nm (Saalwachter  et al., 2000; Schulz, Seger, & Buchard, 2000). 

59 

 

60 

bringing  the  cellulose  macromolecules  into  the  aqueous  solution  by  forming  the 

61 

hydrogen‐bonded complex networks. The mean size of the self‐assembled solvent‐

62 

cellulose clusters in these solvents is 60‐160 nm (Luo, & Zhang, 2013). 

63 

 

64 

on  complex  formation  or  derivatization  of  cellulose.  Direct  solvents  transfer  the 

65 

polymer  into  solution  by  the  mechanism  of  physical  solvation.  Relatively  large 

66 

dimensions  of  aggregates  have  been  evaluated  for  cellulose  dissolved  in  direct 

67 

solvents.  For  example,  diluted  solutions  of  cellulose  in  N‐methylmorpholine‐N‐

Ac ce p

te

d

M

an

51 

The  fast  cellulose  dissolution  could  be  realized  in  the  alkali–urea  solvents, 

Dissolution of cellulose in the so called “direct solvents” does not rely either 

3   

Page 3 of 34

68 

oxide (NMMO) exhibit an Rg value of about 200 nm (Arndt, Morgenstern, & Roder, 

69 

2002;  Drechsler,  Radosta,  &  Vorwerg,  2000;  Roder,  &  Morgenstern,  1999),  which 

70 

considerably exceeds that of the isolated macromolecule. 

71 

 

72 

condition of a true molecular solution of cellulose is not achieved. 

ip t

Thus,  it  may  be  assumed  that  with  alkali–urea  and  direct  solvents  the 

Ionic  liquids  (IL)  are  a  unique  class  of  direct  solvents  for  cellulose,  which 

74 

have  attracted  significant  interest  due  to  their  excellent  solvation  characteristics, 

75 

low toxicity and volatility leading to facile recovery (Mizumo, Marwanta, Matsumi  

76 

& Ohno, 2004; Swatloski, Spear, Holbrey, & Rogers, 2002; Wang, Gurau, & Rogers, 

77 

2012).  However,  even  in  one  of  the  most  efficient  IL  solvent,  1‐ethyl‐3‐

78 

methylimidazolium  acetate  (EMIMAc)  (Cheng  et    al.,  2012;  Kyllonen    et al.,  2013; 

79 

Rinaldi,  2011;  Zavrel,  Bross,  Funke,  Buchs,  &  Spiess,  2009)    there  is  evidence  for 

80 

aggregates  with  Rg  about  150  nm,  much  higher  than  that  of  a  single  cellulose 

81 

macromolecule of the same molecular weight (Kuzmina, Sashina, Troshenkowa, & 

82 

Wawro, 2010) , presumably due to undissolved solvated cellulose crystals. It was 

83 

shown  that,  according  to  rheological  measurements,  the  thermodynamic 

84 

properties  of  EMIMAc  correspond  to  the  properties  of  a  θ  solvent  for  cellulose 

85 

(Gericke,  Schlufter,  Liebert,  Heinze,  &  Budtova,  2009;  Sescousse,  Le,  Ries,  & 

86 

Budtova, 2010). 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

73 

 In recent years it was revealed that mixtures of polar organic solvents with 

87  88 

a  small  fraction  of  IL  can  instantaneously  dissolve  cellulose  even  at  high 

89 

concentration  (Gericke,  Liebert,  El  Seoud,  &  Heinze,  2011;  Luo  &  Neogi,  2009; 

90 

Rinaldi, 2011; Xu, Zhang, Zhao & Wang, 2013). However, a reasonable explanation 

91 

of this effect is still lacking. According to one explanation, solvation effects such as 

92 

the chemical interactions due to the specific composition of the solute and solvent 

93 

play a major role. These can be due to acid‐base or polar interactions, or an ability  4   

Page 4 of 34

to form cyclic arrangements of solvent and cellulose during dissolution (Remsing, 

95 

Liu, Sergeyev, & Moyna, 2008; Pinkert, Marsh, & Pang, 2010). According to another 

96 

explanation, the enhanced cellulose dissolution in co‐solvent/IL mixtures is caused 

97 

by the increased concentration of the “free” anions from the dissociated IL owing 

98 

to  the  preferential  solvation  of  the  cations  by  the  aprotic  polar  solvents.  (Xu, 

99 

Zhang,  Zhao  &  Wang,  2013)  A  third  explanation  considers  possible  electric 

100 

interactions  between  cellulose  chains,  which  are  sufficiently  weakened  in  the  co‐

101 

solvent/IL  environment  with  high  relative  dielectric  permittivity  (the  dielectric 

102 

constant  for  the  imidazolium‐based  IL  it  is  about  10  (Wakai,  Oleinikova,  Ott,  & 

103 

Weingartner, 2005)) (Stana‐Kleinschek, & Ribitsch, 1998). It was noted that, basing 

104 

on rheological measurements, EMIMAc/dimethyl sulfoxide mixture is more like a 

105 

θ  solvent  for  cellulose,  and  the  thermodynamic  properties  of  EMIMAc/dimethyl 

106 

sulfoxide  mixtures  are  similar  with those  of ILs.  The conformation of  cellulose in 

107 

ILs would not be changed with the addition of dimethyl sulfoxide not only in the 

108 

dilute  cellulose  concentrations  but  also  in  the  entanglement  concentrations  (Lv  et 

109 

al., 2012). 

Ac ce p

te

d

M

an

us

cr

ip t

94 

The  decisive  influence  of  the  cellulose  amphiphilicity  and  hydrophobic 

110  111 

interactions on the processes of its dissolving currently is being actively discussed 

112 

in the scientific literature (Glasser et al., 2012; Medronho et al., 2012). In previous 

113 

studies  we  described  a  novel  phenomenon:  outstanding  amphiphilic  properties 

114 

inherent  to  cellulose  molecules  dissolved  in  co‐solvent/IL  binary  mixtures  and  to 

115 

cellulose in the amorphous state in hydrogels regenerated from these solutions, as 

116 

evident  in  their  ability  to  form  a  stabilizing  coating  for  oil‐in‐water  (O/W)  and 

117 

water‐in‐oil  (W/O)  emulsions  (Rein,  Khalfin,  &  Cohen,  2012).  Similar  properties 

118 

were also found in cellulose regenerated from the phosphoric acid (Jia et al., 2013). 

119 

We had presented the hypothesis that this manifestation of cellulose’s amphiphilic  5   

Page 5 of 34

character is made possible by its molecular dissolution in the solvent mixture prior 

121 

to the emulsification process (Rein et al., 2012). The amorphous cellulose hydrogel, 

122 

received on the basis of these free‐molecular‐chain solutions, also holds noticeable 

123 

chain mobility and pronounced amphiphilic properties (Rein et al., 2012), which is 

124 

consistent  with  the  previously  detected  phenomena  that  even  in  the  crystalline 

125 

state,  in  disordered  structural  regions,  plasticized  by  sorbed  water,  there  is 

126 

evidence  for  the  increased  mobility  of  cellulose  chain  segments.  (Bradley  &  Carr, 

127 

1976; Froix & Nelson, 1975), a thorough analysis of the molecular state of cellulose 

128 

in solution in ionic liquids and their binary solvent mixtures using light scattering 

129 

and  transmission  electron  microscopy  methods  is  lacking.  For  this  purpose  we 

130 

seek to utilize a combination of scattering techniques, static light scattering (SLS), 

131 

small‐angle  x‐ray  and  neutron  scattering  (SAXS  and  SANS)  with  cryogenic 

132 

transmission electron microscopy (cryo‐TEM).  

133  134 

  2.  Materials and methods 

135 

 

136 

(given by the supplier) ~ 4.6∙104 g/mol (degree of polymerization 295 and particle 

137 

size  in  the  range  of  20  ‐  160  μm),  and  ionic  liquid  EMIMAc  of  90%  purity,  were 

138 

obtained  from  Sigma–Aldrich.  EMIMAc  and  cellulose  were  dried  in  a  vacuum 

139 

oven at 60 °C and 0.26 kPa for at least 24 h. Chloroform, dichloromethane (DCM), 

140 

dimethyl  formamide  (DMF),  deuterated  DMF  (DMF‐d7),  acetonitrile  and 

141 

propylene  carbonate  were  purchased  from  Sigma–Aldrich.  These  chemicals  were 

142 

used  without  additional  purification.  Unless  otherwise  stated,  the  weight 

143 

percentages of the components were calculated based on the total composition of 

144 

the final mixture. 

145 

 

te

d

M

an

us

cr

ip t

120 

Ac ce p

Microcrystalline  cellulose  powder  Avicel®  with  nominal  molecular  weight 

6   

Page 6 of 34

146 

2.1 Dissolution of cellulose  Dissolution  of  cellulose  was  realized  in  two  stages  so  as  to  reduce  the 

148 

aggregation  (Rein  et  al.,  2012;  Rinaldi,  2011).  First,  cellulose  was  dispersed  in  a 

149 

specific  volume  of  the  co‐solvent.  Next,  the  required  volume  of  EMIMAc  was 

150 

added  into  the  suspension,  and  the  mixture  was  heated  to  90  °C  using  magnetic 

151 

stirring  during  about  10  min.  Subsequently,  the  obtained  solution  was  cooled  to 

152 

room temperature and was not further treated. 

154 

2.2 Equipment and characterization methods 

us

 

153 

cr

ip t

147 

The  morphology  of  the  solutions  was  investigated  by  cryogenic 

156 

transmission  electron  microscope  (cryo‐TEM)  T12G2  (FEI  Co.,  Netherlands). 

157 

Vitrified  samples  for  cryo‐TEM  (Talmon,  1996)  were  prepared  in  a  controlled 

158 

environment vitrification system (CEVS). (Bellare, Davis, Scriven, & Talmon, 1988) 

M

an

155 

SLS  measurements  were  carried  out  with  a  goniometer  BI‐200SM 

160 

(Brookhaven Instruments Corp., USA) using an argon‐ion laser (wavelength 514.5 

161 

nm). Data obtained at several concentrations (0.4 – 4 wt. %) and scattering angles 

162 

(30  –  150°)  were  evaluated  by  the  common  Zimm  plot  yielding  the  root‐mean‐

163 

square Rg, weight‐average molar mass Mw and the second osmotic virial coefficient 

164 

A2  (Debye, 1944; Zimm, 1945). The indices of the solvent refraction no (no=1.44 for 

165 

the  investigated  DMF/EMIMAc  mixture  with  molar  ratio  9:1)  and  the  mass 

166 

concentration (c) increment of the solution refraction index dn/dc (for investigated 

167 

DMF/EMIMAc  mixture  dn/dc=0.061±0.06  cm3/g)  were  measured  by  a  differential 

168 

refractometer BI‐DNDC (Brookhaven Instruments Corp., USA).  

Ac ce p

te

d

159 

169 

Electrical  conductivity  of  solvent  mixtures  was  measured  with  a  Precision 

170 

Impedance Analyzer  Agilent 4294A (Agilent Technologies) at 0.5 V and 10 kHz. 

171 

Each sample was analyzed in triplicate and the mean values were plotted (average 

172 

measurements error about 12%).  7   

Page 7 of 34

X‐ray  diffractometry  of  the  samples  was  performed  using  a  small/wide‐

174 

angle diffractometer (Molecular Metrology SAXS/WAXS system) equipped with a 

175 

sealed  microfocus  tube  (MicroMax‐002  +  S)  emitting  CuKα  radiation,  two  Göbel 

176 

mirrors,  three‐pinhole  slits,  and  generator  that  is  powered  at  45  kV  and  0.9  mA. 

177 

The  scattering  patterns  were  recorded  by  a  two‐dimensional  position  sensitive 

178 

wire  detector  positioned  150  cm  behind  the sample. The solutions  were  sealed in 

179 

thin‐walled glass capillaries about 2 mm in diameter and 0.01 mm wall thickness, 

180 

and measured under vacuum at the ambient temperature. The scattered intensity 

181 

I(q) was recorded at the interval  0.07 

True molecular solutions of natural cellulose in the binary ionic liquid-containing solvent mixtures.

Evidence is presented for the first time of true molecular dissolution of cellulose in binary mixtures of common polar organic solvents with ionic liq...
2MB Sizes 0 Downloads 5 Views