Owing to its unique structure, along with the inexhaustible renewability, cellulose has been a subject of scientific and commercial interest for over 150 years. However, given attractive structural properties, such as stiffness, hydrophilicity, stereoregularity, potential for chemical modifications and ability to form superstructures, utilization of this biopolymer is far below its potential. Over the past few years the number of research projects to modify cellulose fibers to make them more suitable for numerous applications has increased. Transforming hydrophilic cellulose fibers into hydrophobic, non-hygroscopic fibers could potentially lead to a variety of new products, such as flexible packaging, self-cleaning films and strength-enhancing agents in polymer composites. To achieve this, we choose two different routes to chemically modify the cellulose fibers. In first method, cellulose fibers were oxidized with peridoate oxidation to different extent to prepare reactive dialdehyde cellulose (DAC) derivatives. Because introducing too many charge groups leads to fiber disintegration, we decided to cross-link the fibers to prevent this. These DAC fibers were in turn successfully cross-linked with 1,12-diaminododecane using methanol as solvent. Next, the cross-linked fibers were amidated in another Schiff-base reaction with n-butylamine to introduce the hydrophobic non-polar aliphatic chains. The cross-linked fibers exhibited stronger structural stability and the fibers did not disintegrate upon further alkylation with butylamine. The fibers were characterized with FTIR, 13 C-NMR, SEM, TGA, X-ray, contact angle and water sorption measurements. This procedure yielded very hydrophobic fibers with contact angles as high as 145o. Moreover, they had very low moisture uptake and high thermal strength, which makes them suitable for many potential products specially to be used in composites. The second method was based on intermediate carboxymethylation of cellulose with monochloroacetic acid, followed by subsequent substitution with an amine. The carboxylmethylated cellulose fibers (CCF) were cross-linked in an EDC assisted bioconjugation reaction with adipic acid anhydride (ADH). In order to alkylate the fibers and introduce aliphatic amine chains to the cross-linked fibers, a second carboxymethylation reaction was performed to introduce more charge groups to the cross-linked fibers to act as reactive sites for further alkylation reaction with butylamine. The resulting carboxymethylated cross-linked fibers were then reacted with n-butylamine to introduce non-polar aliphatic amine chains. The modified fibers were characterized by a variety of techniques, such as conductometric titration, infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), mechanical properties such as tensile strength and Young's modulus, water contact angle and water vapor transition rate (WVTR) measurements. / Grace à sa structure unique et son renouvellement quasi-inépuisable, la cellulose a été un sujet d'intérêt scientifique et commercial depuis plus de 150 ans. Toutefois, avec ses propriétés structurelles fascinantes, telles la rigidité, l'hydrophilie, la stéréorégularité, le potentiel de modifications chimiques et la capacité à former des superstructures, l'utilisation de ce biopolymère est bien en deçà de son potentiel. Au cours des dernières années, la recherche visant à modifier les fibres de cellulose pour les adapter à de nombreuses applications a augmenté. La transformation de fibres cellulosiques hydrophiles en fibres hydrophobes et non-hygroscopiques pourrait potentiellement mener à une variété de nouveaux produits, tels que des emballages flexibles, des films autonettoyants et des agents qui augmentent la résistance des composites polymériques. Pour atteindre ce but, nous avons choisi deux voies différentes pour modifier chimiquement les fibres de cellulose.Dans la première méthode, les fibres de cellulose sont oxydées à divers degrés par du periodate pour obtenir un dérivé réactif, le dialdéhyde de cellulose (DAC). Parce que l'introduction de beaucoup de groupements chargés mène à la désintégration des fibres, nous avons décidé, pour éviter cela, de réticuler les fibres. Les fibres de DAC ont donc été réticulées avec succès avec du 1,12-diaminododécane en utilisant du méthanol comme solvant. Ensuite, ces fibres réticulées ont été transformées en amides par une autre réaction de base de Schiff avec du n-butylamine qui a pour effet de greffer des chaînes hydrophobes aliphatiques non polaires. Les fibres réticulées se sont avérées avoir une stabilité structurel accrue et ne se sont pas désintégrées lors d'une alkylation plus poussée avec du butylamine. Les fibres ont été caractérisées par FTIR, 13 C-RMN, MEB, TGA, diffractométrie par rayons X, mesures de l'angle de contact et de sorption d'eau. Cette procédure a donné des fibres très hydrophobes avec des angles de contact plus élevés que 145o. De plus, elles ont une absorption d'humidité très faible et une résistance thermique élevée, ce qui les rend potentiellement adaptables à des usages dans de nombreux produits et tout spécialement dans les produits composites.La seconde méthode est basée sur la carboxyméthylation intermédiaire de la cellulose avec de l'acide chloroacétique, suivie d'une substitution ultérieure avec une amine. Les fibres de cellulose carboxyméthylées (CCF) ont été réticulées par une réaction de bioconjugaison classique utilisant l'EDC et l'anhydride d'acide adipique (ADH). Une seconde réaction de carboxyméthylation est alors effectuée sur les fibres réticulées pour y introduire plus de groupements chargés qui pourrons ensuite servir de sites réactifs pour une réaction d'alkylation. Cette réaction est accomplie avec du n-butylamine et a pour résultat la greffe de chaînes non polaires aliphatiques. Les fibres modifiées ont été caractérisées par une variété de techniques, telles le titrage conductimétrique, la spectroscopie infrarouge (FTIR), la microscopie électronique à balayage (MEB), les mesures de propriétés mécaniques telles la résistance à la traction et le module de Young, la mesure de l'angle de contact avec l'eau et la mesure du taux de transmission de la vapeur d'eau.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114269 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Sabzalian, Zohreh |
| Contributors | Theodorus G Van de Ven (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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