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Moisture uptake in nanocellulose: the effects of relative humidity, temperature and degree of crystallinity
Cellulose ( IF 5.7 ) Pub Date : 2021-07-29 , DOI: 10.1007/s10570-021-04099-9
Mohit Garg 1 , Mathieu Linares 1, 2, 3 , Igor Zozoulenko 1, 4 , Varvara Apostolopoulou-Kalkavoura 5 , Lennart Bergström 5, 6 , Tahani Kaldéus 6, 7 , Eva Malmström 6, 7
Affiliation  

Foams made from cellulose nanomaterials are highly porous and possess excellent mechanical and thermal insulation properties. However, the moisture uptake and hygroscopic properties of these materials need to be better understood for their use in biomedical and bioelectronics applications, in humidity sensing and thermal insulation. In this work, we present a combination of hybrid Grand Canonical Monte Carlo and Molecular Dynamics simulations and experimental measurements to investigate the moisture uptake within nanocellulose foams. To explore the effect of surface modification on moisture uptake we used two types of celluloses, namely TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils and carboxymethylated cellulose nanofibrils. We find that the moisture uptake in both the cellulose nanomaterials increases with increasing relative humidity (RH) and decreases with increasing temperature, which is explained using the basic thermodynamic principles. The measured and calculated moisture uptake in amorphous cellulose (for a given RH or temperature) is higher as compared to crystalline cellulose with TEMPO- and CM-modified surfaces. The high water uptake of amorphous cellulose films is related to the formation of water-filled pores with increasing RH. The microscopic insight of water uptake in nanocellulose provided in this study can assist the design and fabrication of high-performance cellulose materials with improved properties for thermal insulation in humid climates or packaging of water sensitive goods.

Graphic abstract



中文翻译:

纳米纤维素中的水分吸收:相对湿度、温度和结晶度的影响

由纤维素纳米材料制成的泡沫具有高度多孔性,并具有优异的机械和隔热性能。然而,需要更好地了解这些材料的吸湿性和吸湿性,以便它们在生物医学和生物电子学应用、湿度传感和隔热方面的应用。在这项工作中,我们提出了混合 Grand Canonical Monte Carlo 和分子动力学模拟以及实验测量的组合,以研究纳米纤维素泡沫中的水分吸收。为了探索表面改性对水分吸收的影响,我们使用了两种类型的纤维素,即 TEMPO 氧化的纤维素纳米纤丝和羧甲基化的纤维素纳米纤丝。我们发现,两种纤维素纳米材料的吸湿量都随着相对湿度 (RH) 的增加而增加,并随着温度的升高而减少,这可以使用基本的热力学原理进行解释。与具有 TEMPO 和 CM 改性表面的结晶纤维素相比,在无定形纤维素中测量和计算的吸湿量(对于给定的 RH 或温度)更高。无定形纤维素膜的高吸水率与随着相对湿度的增加形成充满水的孔隙有关。本研究中提供的纳米纤维素吸水的微观洞察力可以帮助设计和制造高性能纤维素材料,这些材料在潮湿气候或水敏感商品的包装中具有更好的隔热性能。这是使用基本热力学原理进行解释的。与具有 TEMPO 和 CM 改性表面的结晶纤维素相比,在无定形纤维素中测量和计算的吸湿量(对于给定的 RH 或温度)更高。无定形纤维素膜的高吸水率与随着相对湿度的增加形成充满水的孔隙有关。本研究中提供的纳米纤维素吸水的微观洞察力可以帮助设计和制造高性能纤维素材料,这些材料在潮湿气候或水敏感商品的包装中具有更好的隔热性能。这是使用基本热力学原理进行解释的。与具有 TEMPO 和 CM 改性表面的结晶纤维素相比,在无定形纤维素中测量和计算的吸湿量(对于给定的 RH 或温度)更高。无定形纤维素膜的高吸水率与随着相对湿度的增加形成充满水的孔隙有关。本研究中提供的纳米纤维素吸水的微观洞察力可以帮助设计和制造高性能纤维素材料,这些材料在潮湿气候或水敏感商品的包装中具有更好的隔热性能。无定形纤维素膜的高吸水率与随着相对湿度的增加形成充满水的孔隙有关。本研究中提供的纳米纤维素吸水的微观洞察力可以帮助设计和制造高性能纤维素材料,这些材料在潮湿气候或水敏感商品的包装中具有更好的隔热性能。无定形纤维素膜的高吸水率与随着相对湿度的增加形成充满水的孔隙有关。本研究中提供的纳米纤维素吸水的微观洞察力可以帮助设计和制造高性能纤维素材料,这些材料在潮湿气候或水敏感商品的包装中具有更好的隔热性能。

图形摘要

更新日期:2021-09-01
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