Nanocellulosa

Il termine nanocellulosa (NC) si riferisce ad estratti cellulosici o materiali trattati, aventi dimensioni strutturali su scala nanometrica. Ci sono tre classi principali di nanocellulose: nanocristalli di cellulosa (CNC), cellulosa nanofibrillata (NFC), e nanocellulosa batterica (BNC), classificate in base alla loro morfologia e fonte (Chem. Rev. 2018, 118, 11575−11625). Le proprietà meccaniche e chimiche della nanocellulosa la rendono estremamente adatta a diversi tipi di applicazioni innovative (Mondal, S. Preparation, Properties and Applications of Nanocellulosic Materials. Carbohydr. Polym. 2017, 163, 301−316.). Gli approcci più diffusi per ottenere la nanocellulosa sono meccanici, chimici ed enzimatici.

Fonti di nanocellulosa

Le nanofibre di cellulosa vengono estratte da fonti agricole, forestali (biomasse lignocellulosiche) e batteriche. La biomassa lignocellulosica è composta da cellulosa (30-50%), emicellulosa (19-45%) e lignina (15-35%) di origine vegetale. Insieme questi polisaccaridi formano un’eteromatrice la cui composizione varia in funzione della fonte della biomassa. Cellulosa ed emicellulose sono entrambi polisaccaridi, ma mentre la cellulosa è composta da unità di glucosio legate tra loro, le emicellulose possono essere composte da qualsiasi unità di zuccheri semplici, anche diversi fra loro (i più frequenti sono glucosio, xilosio, arabinosio, mannosio, galattosio, ramnosio) e possono inoltre essere organizzate sotto forma di catene ramificate; inoltre, le ramificazioni delle emicellulose possono essere legate chimicamente a molecole diverse da zuccheri semplici, come per esempio fenoli o con la stessa lignina. La lignina, invece, è un complesso polimero organico composto da una struttura polimerica di unità fenilpropaniche. Essa svolge in tutti i vegetali la funzione di legare e cementare tra loro le fibre per conferire ed esaltare la compattezza e la resistenza della pianta. Essendo un fenilpropanoide, la lignina non ha alcun carattere di carboidrato, bensì risulta essere a tutti gli effetti un composto aromatico. Tra le fonti di nanocellulosa di origine completamente naturale troviamo fibre di sisal, bamboo, pigne, residui di polpa di scarto, scarti di pannocchie, gambi di girasole, steli di cotone, fibre di juta, bucce di banana, fibra di cocco, polpa di conifere secca e polpa di eucalipto.

Metodi per ottenere la nanocellulosa

Il modo in cui la nanocellulosa viene isolata dalla pianta ha un grande effetto sulla morfologia e sulle proprietà del materiale ottenuto. I metodi principali di isolamento della NC sono: il trattamento meccanico, il trattamento chimico-meccanico (kraft pulping), e il trattamento enzimatico-meccanico.

Trattamento meccanico

La procedura per isolare cellulosa nanofibrillata consiste nel disintegrare le fibre di cellulosa lungo il loro asse longitudinale, diluendo sospensioni di pasta di legno cellulosica in acqua, le quali passano poi attraverso un omogeneizzatore meccanico. La fibrillazione è indotta da un grande perdita di carico.11 Altre tecniche riportate in letteratura per l’ottenimento di cellulosa nanofibrillata sono: omogeneizzazione ad alta pressione, 82 omogeneizzazione ad alto taglio, 83,84 criocrushing, 83 miscelazione ad alta velocità, 85 microfluidificazione, 86 macinazione, 84,87 ultrasuoni ad alta intensità, 88 fresatura a martelli 84 ed elettrofilatura89

Trattamento chimico-meccanico (kraft pulping)

In primo luogo, i pretrattamenti chimici hanno lo scopo di rimuovere le sostanze non cellulosiche come cere, ceneri, ceneri, lignina, pectina ed emicellulosa. Il pretrattamento può ridurre l'energia consumata dai processi meccanici da 20 000 a 30 000 kWh/t a 1000 kWh/t.105 Il trattamento alcalino mira alla rimozione del contenuto di lignina e alla degradazione delle emicellulose, anche se l'emicellulosa non viene mai completamente rimossa. Le condizioni di reazione devono essere controllate, per prevenire la degradazione della cellulosa. Una volta recuperata la cellulosa, l'idrolisi acida è senza dubbio il trattamento chimico più comune utilizzato per ottenere cristalli di nanocellulosa, utilizzato soprattutto a livello industriale.7 Le attuali limitazioni con l'idrolisi acida includono la natura corrosiva degli acidi e la produzione di grandi quantità di rifiuti chimici, anche se attualmente esistono strategie di riciclaggio su scala industriale. In alternativa, la nanocellulosa può essere ottenuta attraverso processi ossidativi; un esempio è l’ossidazione TEMPO-mediata prima del trattamento meccanico.103 Questa ossidazione facilita l'isolamento della nanocellulosa in acqua con condizioni di reazione blande (solitamente il processo avviene a temperatura e pressione ambiente),114 con conversione ad acidi carbossilici dei gruppi ossidrilici presenti sulla superficie della cellulosa.

Possibili applicazioni della nanocellulosa

Altre applicazioni

The use of nanocellulose in cosmetics and pharmaceuticals was also early recognized. A wide range of high-end applications have been suggested:

• Freeze-dried nanocellulose aerogels used in sanitary napkins, tampons, diapers or as wound dressing
• The use of nanocellulose as a composite coating agent in cosmetics e.g. for hair, eyelashes, eyebrows or nails
• A dry solid nanocellulose composition in the form of tablets for treating intestinal disorders
• Nanocellulose films for screening of biological compounds and nucleic acids encoding a biological compound
• Filter medium partly based on nanocellulose for leukocyte free blood transfusion
• A buccodental formulation, comprising nanocellulose and a polyhydroxylated organic compound
• Powdered nanocellulose has also been suggested as an excipient in pharmaceutical compositions
• Nanocellulose in compositions of a photoreactive noxious substance purging agent
• Elastic cryo-structured gels for potential biomedical and biotechnological application.
• Matrix for 3D cell culture

Other applications

• As a highly scattering material for ultra-white coatings.
• Activate the dissolution of cellulose in different solvents
• Regenerated cellulose products, such as fibers films, cellulose derivatives
• Tobacco filter additive
• Organometallic modified nanocellulose in battery separators
• Reinforcement of conductive materials
• Loud-speaker membranes
• High-flux membranes
• Computer components
• Capacitors
• Lightweight body armour and ballistic glass
• Corrosion inhibitors

See also

• Cellulose
• Cellulose fiber
• Microcrystalline cellulose
• Composite material

References

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