REOLOŠKE LASTNOSTI HIDROGELA IZ KATIONSKO MODIFICIRANE NANOFIBRILIRANE CELULOZE IN GRAFEN OKSIDA

Kučič, Neli (avtor), Šebenik, Urška (mentor)

Magistrsko delo je obsegalo določitev ustrezne priprave vzorcev hidrogelov iz kationske nanofibrilirane celuloze (QCNF) in grafen oksida ter preučitev njihovih reoloških lastnosti. Grafen oksid (GO) je oksidirana oblika grafita, ki zaradi svoje edinstvene strukture vsebuje številne koristne lastnosti. Različne raziskave so dokazale, da z vključitvijo grafen oksida v polimerni hidrogel izboljšamo lastnosti hidrogela. V tej raziskavi sem se osredotočila na preučevanje vpliva na reološke lastnosti pri dodatku grafen oksida v QCNF hidrogel. QCNF je vrsta nanoceluloze v obliki nanofibrilov s funkcionalno skupino kvartarne amonijeve soli (EPTMAC). Pred pripravo hidrogela sem opravila karakterizacijo suspenzije QCNF, pri čemer so se dobljeni rezultati ujemali s podatki proizvajalca. Za ustrezno pripravo QCNF hidrogela sem najprej določila uporabo ultrazvočnega homogenizatorja. Kasneje se je izkazalo, da uporaba propelerskega mešala za mešanje QCNF in GO poruši lastnosti, dosežene z ultrazvočnim homogenizatorjem. Zato sem uporabo propelerskega mešala izključila iz priprave, kar je skrajšalo čas priprave. Za pripravo QCNF hidrogela z dodatkom GO sem uporabila tako suspenzijo GO kot tudi prah GO. QCNF hidrogeli z dodatkom GO suspenzije so pokazali obetavne vrednosti reoloških parametrov. Vrednosti strižnega modula (G), določenega z uporabo Maxwellovega modela za hidrogel iz QCNF in GO suspenzije, so dosegle do 5.700 Pa, medtem ko so vrednosti viskoznosti (η0) dosegle do 182.000 Pas. Težava pri uporabi GO suspenzije je bila ponovljivost rezultatov homogenizacije in s tem ponovljivost strukture. Iz tega razloga sem kasneje uporabila GO prah, ki sem ga umešala v vzorce QCNF hidrogela v ustreznih masnih deležih. Ugotovila sem, da so se vrednosti G in η0 višale z višanjem celokupnega masnega deleža hidrogela. Hidrogeli z višjim masnim deležem GO so imeli višje vrednosti reoloških parametrov kot hidrogeli z nižjim masnim deležem GO, kar potrjuje, da GO pozitivno vpliva na reološke lastnosti. Hidrogele, pripravljene iz QCNF in GO prahu (QCNF+GO) sem primerjala tudi s hidrogeli iz anionsko nanofibrilirane celuloze (TOCNF) in GO prahu (TOCNF+GO). Reološke lastnosti so se pri TOCNF+GO hidrogelu prav tako izboljšale z višanjem masnega deleža hidrogela, čeprav so se lastnosti spreminjale drugače kot pri QCNF+GO hidrogelu zaradi strukturnih razlik. Za konec sem preverila tudi časovno odvisnost reoloških lastnosti QCNF+GO hidrogela. V začetnih dneh so se reološke lastnosti spreminjale, nato pa so se po določenem času ustalile. Med vzorci QCNF+GO hidrogela je bil najbolj perspektiven vzorec z najvišjim masnim deležem QCNF in GO. Za industrijsko uporabo bi bile potrebne nadaljnje raziskave o tem, kako se reološke lastnosti spreminjajo skozi daljše časovno obdobje. Če bi se dokazalo, da se lastnosti ustalijo in reološki parametri ne začnejo upadati, bi imeli QCNF+GO hidrogeli obetaven potencial za uporabo v različnih industrijskih panogah.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: hidrogel, nanoceluloza, grafen oksid, reologija
• Vrsta gradiva: Magistrsko delo/naloga
• Organizacija: FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
• Leto izida: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-162051
• Datum objave v RUL: 18.09.2024

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: RHEOLOGICAL PROPERTIES OF HYDROGEL PREPARED FROM CATIONIC MODIFIED NANOFIBRILLATED CELLULOSE AND GRAPHENE OXIDE

Izvleček

The master’s thesis involved determining the appropriate preparation of hydrogel samples from cationic nanofibrillated cellulose (QCNF) and graphene oxide and examining their rheological properties. Graphene oxide (GO) is an oxidized form of graphite that, due to its unique structure, possesses numerous beneficial properties. Various studies have demonstrated that incorporating graphene oxide into the hydrogel matrix enhances the hydrogel's properties. This research focused on studying the impact of adding graphene oxide to QCNF hydrogel on its rheological properties. QCNF is a type of nanocellulose in the form of nanofibrils with a quaternary ammonium salt functional group (EPTMAC). Prior to hydrogel preparation, I characterized the QCNF suspension, with results matching the manufacturer's data. For the appropriate preparation of QCNF hydrogel, I initially determined the use of an ultrasonic homogenizer. It was later found that using a propeller mixer to blend QCNF and GO disrupted the properties achieved with the ultrasonic homogenizer. Consequently, I excluded the propeller mixer from the preparation process, thereby reducing the preparation time. For preparing QCNF hydrogel with GO, I used both GO suspension and GO powder. QCNF hydrogels with added GO suspension exhibited promising rheological parameter values. The Maxwell shear modulus (G) values for the hydrogel from QCNF and GO suspensions reached up to 5,700 Pa, while the viscosity (η0) values reached up to 182,000 Pas. A challenge with using GO suspension was the repeatability of homogenization results and, thus, the reproducibility of the structure. For this reason, I later used GO powder, which I mixed into the QCNF hydrogel samples in appropriate mass ratios. I found that the values of G and η0 increased with the total mass fraction of the hydrogel. Hydrogels with a higher mass fraction of GO exhibited higher rheological parameter values compared to those with a lower mass fraction of GO, confirming that GO positively influences rheological properties. I also compared hydrogels prepared from QCNF and GO powder (QCNF+GO) with hydrogels from anionic nanofibrillated cellulose (TOCNF) and GO powder (TOCNF+GO). The rheological properties of the TOCNF+GO hydrogel also improved with the hydrogel's mass fraction, although the properties changed differently compared to the QCNF+GO hydrogel due to structural differences. Finally, I examined the time-dependent rheological properties of the QCNF+GO hydrogel. In the initial days, the rheological properties increased, then stabilized after a certain period. Among the QCNF+GO hydrogel samples, the most promising sample was the hydrogel with the highest mass fraction of QCNF and GO. For industrial applications, further research would be required to determine how the rheological properties change over a longer period. If it can be shown that the properties stabilize and the rheological parameters do not begin to decline, QCNF+GO hydrogels would have promising potential for use in various industrial sectors.

• Ključne besede: hydrogel, nanocellulose, graphene oxide, rheology