MAGISTRSKI ŠTUDIJSKI KEMIJSKO INŽENIRSTVO prof. dr. Urška Šebenik

F

MAGISTRSKO DELO

Luka Skubic

Ljubljana, 2021

F

MAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM 2. STOPNJE KEMIJSKO INŽENIRSTVO

Kompozitni hidrogeli TEMPO modificirane nanoceluloze z dodatkom grafena

MAGISTRSKO DELO

Luka Skubic

M

: prof. dr. Urška Šebenik

Ljubljana, 2021

IZJAVA O AVTORSTVU

magistrskega dela

Spodaj podpisani Luka Skubic sem avtor magistrskega dela z naslovom: Kompozitni hidrogeli TEMPO modificirane nanoceluloze z dodatkom grafena.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je magistrsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom prof.

dr. Urške Šebenik;

• sem poskrbel, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v

predloženem magistrskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbel za slovnično in oblikovno korektnost magistrskega dela;

• je elektronska oblika magistrskega dela identična tiskani obliki magistrskega dela.

V Ljubljani, 18. 6. 2021 Podpis avtorja:

inženirstva. Delo je bilo opravljeno na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo UL.

Senat UL FKKT je za mentorico imenoval prof. dr. Urško Šebenik.

Recenzenti: prof. dr. Marjan Marinšek in izr. prof. dr. Aleš Ručigaj

Komisija za oceno in zagovor magistrskega dela Predsednik komisije: prof. dr. Marjan Marinšek

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Članica: prof. dr. Urška Šebenik

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Član: izr. prof. dr. Aleš Ručigaj

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Sprva bi se rad zahvalil mentorici prof. dr. Urški Šebenik za vse nasvete, predloge in vso pomoč, ki sem je bil deležen pri izdelavi magistrske naloge. Zahvale gredo tudi viš. pred.

dr. Branku Aliču, ki mi je omogočil nemoteno eksperimentalno delo ter mi pri tem pomagal, ter doktorski študentki Iris Malnarič za vso pomoč pri moji magistrski nalogi.

Druga, a nič manj pomembna zahvala, gre moji družini. Najlepše bi se zahvalil mami Mojci in očetu Alešu, ki sta mi pri študiju omogočila izvrstne delovne pogoje, me spodbujala ter mi dajala uporabne nasvete, ki mi bodo koristili skozi celo življenje. Prav tako gre zahvala bratu Juretu in sestri Urši za energijo in spodbude, da sem uspešno zaključil študij.

Rad bi se zahvalil tudi mojemu dekletu Katarini, ki mi je bila ves čas v veliko oporo.

Vsem še enkrat iz srca hvala!

Povzetek: Hidrogeli so pametni materiali, ki so v zadnji letih dobili veliko pozornosti zaradi svojih lastnosti, kot so odzivanje na zunanje dražljaje, obstojnost, sposobnosti absorpcije, relativno visok elastični modul. Dandanes so izrednega pomena predvsem biorazgradljivi hidrogeli s širokim področjem uporabe. Tak primer so hidrogeli iz nanoceluloze. Hidrogele iz celuloznih nanovlaken ali nanokristalov se uporablja v senzoriki, kot sisteme za dostavo zdravil, dodatke v higienski in prehrambni industriji.

Pomembni področji uporabe sta predvsem farmacija in medicina.

Dodatki, kot so ogljikove nanocevke ali grafen se uporabljajo za izboljšanje lastnosti hidrogelov za specifično uporabo. Reološke lastnosti hidrogelov določujemo s pomočjo reometra, naprave, s katero merimo reološke parametre preiskovanega vzorca, kot so viskoznost, elastični modul in viskozni modul.

V magistrski nalogi sem preučeval hidrogele iz TEMPO modificiranih celuloznih nanovlaken (CNF). Raziskoval sem reološke lastnosti hidrogelov TEMPO CNF z dodanimi tremi različnimi vrstami grafenskih nanoploščic. Uporabil sem nemodificiran grafen, grafen modificiran z amino skupinami in grafen modificiran s karboksilnimi skupinami. Določil sem vpliv staranja in vpliv deleža posameznega grafena na reološke lastnosti TEMPO CNF hidrogelov. Ugotovil sem, da se hidrogelom TEMPO CNF s časom povečuje viskoznost in narašča elastični modul kot posledica spreminjanja mikrostrukture hidrogelov, urejanja celuloznih verig s časom in tvorba vodikovih in van der Waalsovih vezi v hidrogelu.

Zelo majhno razliko sem opazil pri rezultatih reoloških meritev pri preučevanju vpliva deleža grafena. S konduktometrično titracijo sem pokazal, da je bila koncentracija amino in karboksilnih skupin na modificiranih grafenih nizka, grafen modificiran s karboksilno skupino je vseboval 0,042-0,045 mmol/g -COOH skupine, grafen modificiran z amino skupino pa 0,979 mmol/g -NH₂ skupine. Opazil sem povišanje viskoznosti z višjo vsebnostjo posameznega grafena kot posledica višjega deleža nezvezne faze v suspenzijah.

Dodatno sem preučil še vpliv pH vrednosti na reološke lastnosti hidrogelov TEMPO CNF. Ugotovil sem opazno višje vrednosti viskoznosti in elastičnega ter viskoznega modula pri hidrogelih s pH = 3. Možen razlog za to je izločanje vode, zmanjšanja odboja med polimernimi verigami in aglomeracija le teh zaradi prevladovanja van der Waalsovih vezi med verigami. Pri suspenzijah TEMPO CNF s pH = 11 sprememb v reoloških lastnosti nisem opazil. Reološke meritve so pokazale podobne rezultate kot pri pH = 7.

Pri raziskovanju sem tako uspel določiti vpliv staranja, vpliv različno modificiranih grafenov in pH vrednosti na reološke lastnosti TEMPO CNF hidrogelov. Upam, da bo

TEMPO CNF in uporabi le-teh v novih aplikacijah.

Ključne besede: Hidrogeli, TEMPO oksidirana nanoceluloza, modificiran grafen, reologija

TEMPO-oxidized nanofibrillated cellulose composite hydrogels with graphene Abstract: Hydrogels are smart materials, which in recent years received plenty of attention due to their excellent properties, such as response to stimuli, durability, capability of adsorption and relatively high storage modulus. Nowadays, great emphasis is put on biodegradable hydrogels with wide aspect of applications. Such examples are nanocellulose hydrogels, which are made from cellulose nanofibrils or nanocrystals, and can be used in various fields such as sensors, drug delivery systems and additives in food and health industry. Two of the most important fields for hydrogel applications are medicine and pharmacy.

Nanofillers such as carbon nanotubes and graphene are used to improve hydrogel properties, so they can be used in specific applications. Rheological properties of hydrogels are measured by rheometers, which are used to measure rheological parameters such as viscosity, storage and loss moduli.

In my master’s thesis hydrogels made of TEMPO modified nanocellulose are investigated. Three different graphene nanoparticles were added to TEMPO CNF suspensions; graphene, graphene modified with amino groups and graphene modified with carboxyl groups. Firstly, I investigated the effect of aging of TEMPO CNF suspensions with specific additive and the influence of the amount of specific additive on rheological properties. The results showed higher viscosity and storage modulus of TEMPO CNF hydrogels over time. The reason for such behaviour is the microstructural change in suspensions, the arranging of nanocellulose chains over time and the creation of hydrogen and van der Waals bonds inside the hydrogel.

Results from rheological measurements did not show major differences when comparing the effect of concentration of specific graphene on rheological behaviour of hydrogels.

Later on, I was able to explain these results with conductometric titration. The amount of amino and carboxyl groups was low, there was between 0,042 – 0,045 mmol/g of -COOH groups in graphene modified with carboxyl groups and 0,979 mmol/g of -NH₂ groups in graphene modified with amino groups. I was able to obtain an increase in viscosity with higher amount of each graphene, which was the consequence of increase of dispersed phase in hydrogels.

In addition, I researched the effect of pH value on TEMPO CNF hydrogels. Rheological results showed the increase in viscosity, elastic and storage moduli in acidic environment pH = 3. The reason for such behaviour could be water elimination from hydrogels as well

agglomerate due to the van der Waals interactions. Rheological behaviour of hydrogels at pH = 11 was similar to hydrogels with pH = 7. Furthermore, I concluded that higher pH does not affect the rheological behaviour of TEMPO CNF hydrogels.

In my research, I managed to determine the effect of aging, the effect of modified graphene nanoplatelets addition, and the effect of pH value on the rheological properties of TEMPO CNF hydrogels. I hope my work will help with further research of TEMPO CNF composite hydrogels and the use of these smart materials in various new applications.

Keywords: Hydrogels, TEMPO oxidized nanocellulose, modified graphene, rheology

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Splošno o hidrogelih ... 1

1.1.1 Zgodovina hidrogelov... 1

1.1.2 Delitev hidrogelov ... 1

1.1.3 Lastnosti in uporaba hidrogelov ... 2

1.2 Nanoceluloza ... 3

1.2.1 Celulozni nanokristali (CNC) ... 3

1.2.2 Celulozna nanovlakna (CNF) ... 4

1.2.3 Bakterijska nanoceluloza ... 4

1.2.4 TEMPO modificirana nanoceluloza ... 4

1.2.5 Hidrogeli nanoceluloze ... 5

1.2.6 Nanocelulozni hidrogeli z dodatkom anorganskih ojačitvenih sredstev .. 7

1.3 Grafen ... 8

1.3.1 Grafen oksid (GO) in reducirani grafen oksid (rGO) ... 8

1.3.2 Primer uporabe hidrogela grafena in TEMPO CNF ... 9

1.3.3 Grafenske nanoploščice ... 9

1.4 Reologija ... 10

1.4.1 Splošno o reologiji ... 10

1.4.2 Reometer ... 12

1.4.3 Meritve na reometru – frekvenčni test ... 13

1.4.4 Meritve na reometru – tokovni test... 13

2 Namen dela ... 15

3 Eksperimentalni del ... 17

3.1 Naprave in pripomočki ... 17

3.2 Uporabljeni materiali ... 17

3.2.1 TEMPO modificirana celulozna nanovlakna ... 17

3.2.2 Grafenske nanoploščice (GNP), GNP modificirane s karboksilno skupino in GNP modificirane z amino skupino ... 17

3.3.1 Priprava suspenzij 3 % TEMPO CNF ... 18

3.3.2 Priprava suspenzij 2 % TEMPO CNF ... 18

3.3.3 Priprava suspenzij TEMPO CNF z dodatki različnih vrst grafena ... 18

3.3.4 Priprava suspenzij TEMPO CNF za določitev vpliva pH vrednosti ... 21

3.4 Metode karakterizacije ... 22

3.4.1 Reološke meritve ... 22

3.4.2 Konduktometrična titracija ... 23

4 Rezultati in razprava ... 25

4.1 Dodatek nemodificiranega grafena v suspenzije TEMPO CNF; vpliv staranja na reološke lastnosti suspenzij ... 25

4.1.1 Tokovni testi ... 25

4.1.2 Frekvenčni testi... 30

4.2 Vpliv deleža dodanega nemodificiranega grafena na reološke lastnosti suspenzije TEMPO CNF ... 33

4.2.1 Tokovni testi ... 33

4.2.2 Frekvenčni testi... 36

4.3 Dodatek grafena z NH₂ skupinami v suspenzije TEMPO CNF; vpliv staranja na reološke lastnosti suspenzij ... 38

4.3.1 Tokovni testi ... 38

4.3.2 Frekvenčni testi... 44

4.4 Vpliv deleža dodanega grafena - NH₂ na reološke lastnosti TEMPO CNF ... 49

4.4.1 Tokovni testi ... 49

4.4.2 Frekvenčni testi... 52

4.5 Rezultati konduktometrične titracije grafena - NH₂ ... 54

4.6 Dodatek grafena s COOH skupinami v suspenzije TEMPO CNF; vpliv staranja na reološke lastnosti suspenzij ... 54

4.6.1 Tokovni testi ... 54

4.6.2 Frekvenčni testi... 60

4.7 Vpliv deleža grafena – COOH na reološke lastnosti suspenzij TEMPO CNF 65 4.7.1 Tokovni testi ... 65

4.7.2 Frekvenčni testi... 68

4.8 Rezultati konduktometrične titracije grafena – COOH ... 69

5 Zaključek ... 73 6 Seznam uporabljenih virov ... 75

pHEMA polihidroksietil metaktrilat CNC celulozni nanokristali

CNF celulozna nanovlakna (nanofibrili) BNC bakterijska nanoceluloza

TEMPO 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil TOC tempo oksidirana celuloza

TOCN tempo oksidirana celulozna nanovlakna CMC karboksi metil celuloza

HEC hidroksi etil celuloza MC metil celuloza PVA polivinil alkohol PEG polietilen glikol

MMT montmorijonit

GF grafen

GO grafen oksid

rGO reduciran grafen oksid fGO funkcionaliziran grafen oksid NMR jedrska magnetna resonanca

XPS rentgenska fotoelektrosnka spektroskopija PAA poliakrilna kislina

GNP grafenske nanoploščice LVO linearni viskoelastični odziv COOH karboksilna skupina

𝐍𝐇_𝟐 amino skupina 𝐍𝐚𝐍_𝟑 natrijev azid NaOH natrijev hidroksid HCl klorovodikova kislina 𝜼 viskoznost [Pa.s]

𝝉 strižna napetost [Pa]

𝜸̇ strižna hitrost [𝑠⁻¹]

A površina [𝑚²]

𝜼_𝟎 viskoznost prvega newtonskega območja [Pa.s]

𝜼_∞ viskoznost drugega newtonskega območja [Pa.s]

𝝀 karakteristični čas v Crossovem modelu in podaja točko prevoja na grafu [s]

n eksponent v Crossovem reološkem modelu, ki podaja hitrost upadanja viskoznosti

K konsistenca tekočine v potenčnem zakonu

m indeks tokovnega obnašanja v potenčnem zakonu G' modul akumulacije energije ali elastični modul [Pa]

G'' modul energetskih izgub ali viskozni modul [Pa]

𝜼^∗ kompleksna viskoznost [Pa.s]

𝜸 strižna deformacija

𝜹 fazni zamik [°]

𝝎 frekvenca oscilacije [rad/s]

𝜸̇_{𝒄𝒓𝒊𝒕.} kritična strižna hitrost [𝑠⁻¹]

1

1 Uvod

1.1 Splošno o hidrogelih

Definicij hidrogelov je več, v glavnem pa velja, da so hidrogeli prepletene ali zamrežene polimerne verige, ki v stiku z vodo nabreknejo ter se v vodi ne raztapljajo. [1]

Ko hidrogele izpostavimo vodnemu mediju, se ustvari ravnotežje in vzpostavijo se določene mehanske lastnosti. Na to lahko vplivamo z različnimi koncentracijami komponent v hidrogelu, vrsto monomera in dodatkom nanokomponent v hidrogel. S spreminjanjem razmerij iščemo ustrezne lastnosti hidrogela za specifično uporabo. [2]

1.1.1 Zgodovina hidrogelov

Po poročanju Chirani s kolegi [2], se je beseda hidrogel prvič pojavila v članku leta 1894.

Definicija hidrogela se je z leti razvijala, takrat so z besedo hidrogeli poimenovali anorganske soli. Prvi zamrežen material, ki je imel glavno lastnost hidrogelov, to je afiniteta do vode, je bil polihidroksietil metakrilat (pHEMA), ki je bil razvit leta 1960.

Namen razvoja pHEMA je bila uporaba v aplikacijah s človeškim tkivom. Prav hidrogeli so prvi materiali, ki so jih naredili za uporabo v človeškem telesu. [2]

Razvoj hidrogelov lahko razdelimo na tri obdobja. Prvi, preprosti hidrogeli, so bili zamreženi z različnimi postopki, ki so vključevali kemijske spremembe monomera ali polimera s pomočjo iniciatorja. Zahtevane so bile predvsem dobre mehanske lastnosti in visoka sposobnost nabrekanja. [2]

V nadaljnem razvoju so razvijali hidrogele, ki so bili odzivni na določene spremembe kot npr. nihanje temperature, pH ali spremembe koncentracije določene komponente v mediju. [2]

Kasneje so se začeli posvečati razvoju stereo kompleksov, s pomočjo katerih se je izboljšala tarčnost hidrogelov kar je razširilo področje uporabe hidrogelov. [2]

1.1.2 Delitev hidrogelov

Hidrogele lahko razdelimo na podlagi več kriterijev. Glede na vir nastanka jih delimo na naravne in sintetične. [2, 3]

Glede na zgradbo polimerov v hidrogelu jih lahko razdelimo v naslednje skupine [2, 3]:

• Homopolimerni hidrogeli: polimerne mreže zgrajene iz ene same vrste monomernih enot

2

• Kopolimerni hidrogeli: iz dveh ali več različnih monomerov z vsaj eno hidrofilno komponento, naključno urejeno vzdolž polimerne verige

• Večpolimerni hidrogeli z medsebojno prodirajočimi verigami ki so zgrajeni iz vsaj dveh različnih med seboj prepletenih naravnih ali sintetičnih monomernih enot

Hidrogele lahko delimo tudi glede na fizikalno in kemijsko strukturo. Ločimo amorfne, delno kristalinične in kristalinične hidrogele. Hidrogeli se povezujejo kemijsko in fizikalno. Kemijsko povezane verige imajo trajne stike, medtem ko imajo fizikalna omrežja prehodna stičišča, ki nastanejo zaradi prepletanja verig ali kot posledica interakcij, kot so npr. ionske interakcije, vodikove vezi ali hidrofobne interakcije. [1]

Še ena karakterizacija hidrogelov pa je glede na električni naboj na zamreženih verigah.

Tako ločimo nevtralne (neionske), ionske, amfoterične, ki vsebujejo tako kisle kot bazične supine ter cviterionske, ki vsebujejo kationske in anionske skupine na vsaki strukturni ponavljajoči se enoti. [1]

1.1.3 Lastnosti in uporaba hidrogelov

Praktično nemogoče je, da bi imeli hidrogeli vse zahtevane lastnosti, vseeno pa stremimo k doseganju naslednjih lastnosti, kadar izdelujemo hidrogel za določeno aplikacijo [1]:

• Najvišja možna absorbcijska sposobnost v fiziološki raztopini

• Prava hitrost absorbcije glede na željeno področje uporabe

• Najvišja vpojnost pod obremenitvijo

• Najnižja vsebnost topnega monomera v preostanku

• Nizka cena

• Najvišja obstojnost in stabilnost med nabrekanjem in shranjevanjem

• Biorazgradljivost brez tvorbe strupenih snovi ob razgradnji

• Brez barve, vonja in brez vsebnosti toksinov

• Nevtralen pH po nabrekanju v vodi

Po iznajdbi sintetičnih hidrogelov leta 1954, so začeli uporabljati hidrogele v higienskih produktih, agrikulturi, kot sisteme za dostavo zdravil v telesu, umetni sneg, v prehranskih dodatkih, v farmaciji, pomembni pa so še pri uporabi v biomedicinskih aplikacijah. [1]

3

Načeloma velja, da so hidrogeli hidrofilni, kar pa ne velja za vse polimerne verige, ki jih hidrogeli vsebujejo. Za prilagajanje lastnosti določenega hidrogela so lahko določene polimerne verige tudi hidrofobne. [1]

1.2 Nanoceluloza

Nanoceluloza je zaradi svojih lastnosti, kot so visok elastični modul, velika specifična površina, nizka gostota in neabrazivnost dobila v zadnjem desetletju veliko vlogo v razvoju materialov. Prav tako je nanoceluloza biorazgradljiva, njeno površino se da tudi dobro funkcionalizirati. [4]

Poznamo naslednje oblike nanoceluloze [4]:

• Nanokristali (CNC)

• Nanofibrili (nanovlakna) (CNF)

o Bakterijska nanoceluloza (BNC) –podvrsta celuloznih nanovlaken (CNF) Nanocelulozo pridobivajo iz obnovljivih virov z dvema pristopoma, s top down in bottom up metodo. Principa sta obratna, pri top down se s pomočjo razbitja večjih delcev pridobi manjše delce, pri bottom up metodi pa s povezovanjem manjših delcev naredimo večji material. Pri pridobivanju nanoceluloze to pomeni, da jo lahko pridobivamo z razbitjem večjih celuloznih komponent (top down metoda) ali pa z združevanjem posameznih molekul do nastanka nanoceluloze (bottom up izgradnja). Primera top down metode pridobivanja nanoceluloze sta kislinska hidroliza in mletje z diskom, primer bottom up metode pa je pridobivanje nanoceluloze s pomočjo bakterij. [4]

1.2.1 Celulozni nanokristali (CNC)

Celulozni nanokristali so čista kristalinična oblika celuloze velikosti med 3 in 10 nm v širino ter 5 do 50 nm v dolžino. Prvič so jih naredili leta 1949. Kot gradivo za izdelavo CNC se uporablja les, lahko pa se prideluje tudi iz neolesenelih rastlin oz. delov rastlin, alg, bakterij. Najpogostejši princip priprave je kislinska hidroliza glikozidnih vezi. S kislinsko hidrolizo ločimo kristalinični del in razgradimo amorfne dele. Na koncu celulozne nanokristale razlikujemo po velikosti, geometriji in indeksu kristaliničnosti. [4]

Za pripravo CNC lahko uporabimo več različnih kislin, kot so žveplova, klorovodikova, bromovodikova in fosforna kislina. Največkrat se uporablja žveplova kislina, s pomočjo katere se naredijo kristali visoke razpršenosti poleg tega pa je suspenzija s celuloznimi nanokristali stabilizirana z elektrostatskim odbojem med anionskimi sulfatnimi skupinami na površini kristalov. Vseeno pa ima žveplova kislina slabosti, kot je nevarno rokovanje z njo, potrebno pa je poskrbeti tudi za primerno obdelavo odpadnega materiala

4

pri procesu izdelave CNC. Stroški so s tem višji, zato novejši procesi izdelave CNC stremijo k manjši porabi žveplove kisline. [4]

1.2.2 Celulozna nanovlakna (CNF)

Celulozna nanovlakna (CNF) so zgrajena tako iz amorfnih kot tudi kristaliničnih delov.

V širino vlakna navadno merijo med 5 in 30 nm, medtem ko so dolga tudi več kot 50 nm.

Razvoj CNF sega v leto 1983, ko sta raziskovalca Turbak in Herrick s kolegi [4] naredila celulozna nanovlakna iz očiščene suspenzije z 2 ut% celuloze. Suspenzijo so dali v homogenizator in iz tega pridobili nanovlakna. Pri nadaljnjem razvijanju procesov izdelave CNF so stremeli predvsem k zniževanju stroškov izdelave, kar so uspeli doseči s kemijsko predobdelavo celuloze. S kemijsko predobdelavo se uvaja funkcionalne skupine na celulozo, odboj med njimi pa povzroča njihovo ločitev. Tako pridobimo celulozna nanovlakna. [4]

1.2.3 Bakterijska nanoceluloza

Med bakterijsko nanocelulozo štejemo celulozna nanovlakna, ki nastanejo s pretvorbo glukoznih molekul s pomočjo nekaterih bakterij, kot so npr. Acetobacter, Agrobacterium, Achromobacter, Aerobacter, Salmonella, Escherichia, Gluconobacter.[4]

Izdelava bakterijske nanoceluloze je primer bottom up metode, kjer iz majhnih glukoznih molekul nastajajo vlakna s pomočjo bakterij, kot je prikazano na sliki 1. Prednost je kontrolirana rast vlaken, stopnja kristaliničnosti ter kontrolirana velikost in oblika vlaken.

[4]

Slika 1: Shematski prikaz izdelave celuloznih nanovlaken s pomočjo bakterije. [4]

1.2.4 TEMPO modificirana nanoceluloza

V zadnjem času je pogosta predobdelava celuloznih vlaken, kar zajema manjše kemijske predobdelave kot so karboksimetilacija in acetilacija nanoceluloze. Poleg tega pa je pogosto v uporabi tudi oksidacija celuloznih nanovlaken z 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1- oksil (TEMPO) radikalom, ki je prikazan na sliki 2. [5]

5

Slika 2: Struktura 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil (TEMPO). [6]

TEMPO je vodotopen stabilen nitroksilni radikal in je komercialno dostopen za laboratorijsko in industrijsko uporabo. [5]

TEMPO nanocelulozo izdelujemo iz lesne kaše (povprečna dolžina vlaken je pribljižno 3 mm in širina 0,03 mm), ki se uporablja tudi pri izdelavi papirja. Postopek oksidacije nanoceluloze s TEMPO opisuje Isogai s kolegi [5]. Prvi korak je suspendiranje lesne kaše v vodi, ki vsebuje določeno količino TEMPO in NaBr. Dodatek raztopine NaClO je potreben za sprožitev oksidacije pri pH = 10 in sobni temperaturi. Med procesom se dodaja NaOH za ohranjanje bazičnega pH. Suspenzija mora biti ves čas izpostavljena mešanju. Po oksidaciji (po navajanju v članku traja pribljižno 90 minut) raztopino filtrirajo in spirajo z vodo ter s tem odstranijo preostanek TEMPO, nastalega NaCl in NaBr. Produkt so čista TEMPO oksidirana celulozna (TOC) vlakna z natrijevimi ioni (TOC-COONa). Načinov priprav takšnih vlaken je veliko, razlika se pojavlja predvsem v vhodni surovini celuloze. Površino TOC-COONa se lahko kasneje tudi modificira z ionskim izmenjevanjem. [5]

Aplikacij TEMPO oksidiranih celuloznih nanovlaken (TOCN) je veliko, sam sem to vrsto nanoceluloze uporabil tudi v eksperimentalnem delu moje magistrske naloge.

1.2.5 Hidrogeli nanoceluloze

Obnovljivi polimeri so v zadnjem desetletju dobili veliko pozornosti, saj sledijo trendom današnjega časa, ko je biorazgradljivost in uporaba naravnih materialov izrednega pomena. Takim obnovljivim polimerom se navadno dodaja ojačitvena sredstva za izboljšanje lastnosti v posameznih aplikacijah. Tudi nanoceluloza se uporablja kot ojačitveno sredstvo navadno kot alternativo anorganskim dodatkom. [4]

Nanoceluloza lahko s hidrogelom tvori tako fizikalne kot kemijske vezi. Poleg tega lahko nanoceluloza v hidrogelu nastopa kot glavna komponenta, lahko pa je le dispergirana v hidrogelu. Hidrogele iz nanoceluloze lahko izdelamo v enem koraku, kot sočasna polimerizacija in premreženje, ali pa v večih korakih, kot kemijska modifikacija nanoceluloze, ki ji sledi premreženje. [4]

6

Nascimento [4] je s kolegi predstavil primere hidrogelov, ki so bili v kombinaciji z nanocelulozo razviti za posamezne aplikacije.

Prvi takšen primer je alginat. Natrijev alginat je anionski polisaharid, ki ga najdemo v celični steni alg. Alginat tvori hidrogele v prisotnosti dvovalentnih kationov (npr. kalcij).

Primer sodobne aplikacije je uporaba 3D tehnologije za izdelavo hidrogelnih kompozitov alginata in nanoceluloze. Nascimento [4] v članku predstavlja raziskavo, kjer so naredili disperzijo celuloznih nanovlaken v alginatu, kar so uporabili za 3D tiskanje hondrocitov, sestavnih enot hrustančnega tkiva. Natisnjene produkte so potopili v CaCl₂. Nastala struktura je imela visok elastični modul in tlačno napetost. Material je bil natisnjen z mešanico 80 % ogljikovih vlaken in 20 % alginata. [4]

Celuloza in njeni derivati kot so karboksi metil celuloza (CMC), hidroksi etil celuloza (HEC) ter metil celuloza (MC) se večinoma uporabljajo v prehrambeni in farmacevtski industriji kot zgoščevalna sredstva, veziva. Prednost je predvsem njihova nestrupenost in biorazgradljivost. Prav tako so poceni, le njihove lastnosti v nabreklem stanju večkrat niso kompatibilne ostalim, npr. sintetičnim hidrogelom. [4]

Kolagen, kot eden izmed najpogostejših proteinov v našem telesu se je izkazal kot dobro sredstvo za izdelovanje tkiv. Nascimento s kolegi [4] opisuje raziskavo izdelave porozne osnove kolagena in celuloznih nanokristalov za tvorbo krvnih žil. Tak oder za izdelavo žil je bil biokompatibilen in biorazgradljiv in je pospešil rast žil. Z dodatkom CNC so opazili večjo sposobnost nabrekanja hidrogela. [4]

Z razvijanjem kolagena pridobimo želatino, ki se uporablja v sistemih, v katerih je potreben kontroliran izpust, kot npr. zdravila in v umetnih organskih tkivih. [4]

Celulozna nanovlakna imajo poleg visoke specifične površine in visoke reaktivnosti površine, še sposobnost prevzemanja vloge kolagena v kostnem matriksu. Poleg tega se v organizmu počasi razgrajujejo. Tako je raziskovalka Carlström [7] s kolegi naredila poizkus, kjer so mešali premreženo želatino s celuloznimi nanovlakni. Naredili so ogrodja, ki so bila izdelana z določeno stopnjo razgradnje in izboljšanimi mehanskimi lastnostmi in tako primerni za razvoj kostnega tkiva. Potrdili so, da je kombinacija želatine in celuloznih nanovlaken obetaven material za inženiring kostnega tkiva, prav tako ni bilo opazne zavrnitve materiala s strani človeškega kostnega tkiva. [7]

Dobra biokompatibilnost in dobre mehanske lastnosti so opazne tudi pri polivinil alkoholu (PVA), čigar raztopine tvorijo toge hidrogele, izdelane s pomočjo ciklov zmrzovanja in taljenja. Med zmrzovanjem verige PVA interagirajo med sabo in tvorijo kristalite, ki se med sabo povezujejo in naredijo material netopen v vodi. [4]

Tang je s kolegi [8] naredil hidrogel iz bakterijske nanoceluloze z dodatkom PVA v obliki cevčic za zamenjavo arterij in ven. Kljub temu opozarjajo, da so na tem področju potrebne podrobnejše raziskave za nadaljevanja razvoja. [8]

7

1.2.6 Nanocelulozni hidrogeli z dodatkom anorganskih ojačitvenih sredstev

Nanocelulozni hidrogeli služijo tudi kot substrat za vgraditev anorganskih komponent, kot so npr. ogljikove nanocevke, grafen ter grafen oksid, da hidrogeli vzdržujejo odpornost proti bakterijam, virusom in ohranjajo mehanske, magnetne in električne lastnosti. [4]

Poleg omenjenih komponent se v nanoceluloznih hidrogelih uporabljajo plastoviti silikati. Plastoviti silikati se razporejajo v hidrogelni matrici na različne načine.

Vgrajevanje ali interkalacija predstavlja vgrajevanje, kjer se polimerne verige vrinejo med silikatne plasti, kot je prikazano na sliki 3A. Silikatne plasti so lahko pomešane brez prave razporeditve, kot je prikazano na sliki 3B. Ta struktura naključne razporeditve je boljša iz vidika homogenosti, saj so silikatne plasti enakomerno razporejene po celotnem hidrogelu. Silikatne plošče nudijo veliko površino za zamreženje, poleg tega pa so polimerne verige nanoceluloze zelo upogljive in se lahko prilagodijo različnim razdaljam med posameznimi plastmi gline. Interakcije so podrobneje prikazane na sliki 3C. [9]

Slika 3: (A) Prikaz vrivanja polimernih verig med glinene plasti; (B) naključna razporeditev polimernih verig in silikatnih plasti in s tem večja homogeniziranost kompozita; (C) prikaz površine glinenih plasti za interakcije s polimernimi verigami. [9]

Eden izmed najpogosteje uporabljenih plastovitih silikatov je montmorijonit (MMT), saj so njegovi lamelni elementi zelo trdni, togi in imajo visoko velikostno razmerje stranic, kar pripomore k veliki sposobnosti nabrekanja hidrogela, mehanski trdnosti in toplotni obstojnosti. Vezi med silikatnimi plastemi v montmorijonitu so šibke, zato dovoljujejo vstop vode, izmenljivih ionov in polimernih verig, kar hidrogelu poviša sposobnost nabrekanja. Poleg tega lahko reaktivne hidroksilne skupine in izmenljivi kationi na površini MMT delujejo kot zamreževalna sredstva med celuloznimi verigami. [9]

Laponit je prav tako vrsta gline, ki spada v družino filosilikatov in je sestavljen iz diskastih nanodelcev, ki imajo na različno razporeditev nabojev na posameznih straneh diska. Prav to je njegova posebnost, da se na disku porazdelijo naboji, ko je le ta izpostavljen tekočini. Na vrhnji in spodnji površini diska se izoblikuje negativni naboj medtem ko se na robu nabere pozitiven naboj. Laponit se uporablja v farmaciji, osebni

A B C

8

negi, naftni in agrokemični industriji poleg tega pa tudi za tvorbo hidrogelov z nanocelulozo. [11]

Pomembno vlogo pri kompozitnih hidrogelih nanoceluloze imajo tudi ogljikove nanocevke. Primer uporabe takšnih kompozitov je npr. pri izdelavi elektronske kože, kot opisuje Xu s kolegi [12]. Z matrico iz nanoceluloze, senzorični del pa iz aktivnih materialov, za katere so uporabili ogljikove nanocevke, so uspeli zagotoviti potrebne mehanske lastnosti, fleksibilnost in kemijsko stabilnost. Zaradi problema združevanja ogljikovih nanocevk v vodi so naredili sulfonirane nanocevke, kjer skupine sulfonske kisline zagotavljajo dobro prevodnost in izboljšujejo disperznost v vodi. Uporabili so TEMPO modificirano nanocelulozo. Končni produkt, elektronska koža, je imel hiter odzivni čas, visoko stabilnost in visoko zlomno trdnost. Zaznali so dober odziv tudi na manjše vibracije, zato ima elektronska koža velik potencial in široko področje uporabe.

[12]

1.3 Grafen

Grafen je 2D material debeline enega atoma z visoko mehansko trdnostjo, dobro električno ter toplotno prevodnostjo in veliko specifično površino. Uporablja se ga v katalizatorjih, senzoriki in shranjevanju energije ter pretvorbi le te. V kombinaciji z nanocelulozo in ostalimi polimeri se ga lahko uporablja kot ojačitveno sredstvo hidrogelov. [13]

Grafen, kot samostojen material ni tako široko uporabljen kot npr. v kompozitnih materialih. Za različne aplikacije se navadno uporablja modificiran grafen. Pod take vrste grafena štejemo grafen oksid (GO), reduciran grafen oksid (rGO) ali različno funkcionaliziran grafen. [14]

1.3.1 Grafen oksid (GO) in reducirani grafen oksid (rGO)

Največja ovira pri izdelavi kompozitnih materialov z grafenom je masovna proizvodnja le tega. Grafen oksid, ki je bil sprva mišljen le kot začetni material v procesu sinteze grafenskih sistemov, pa se je kasneje izkazal kot izredno zanimiva vrsta modificiranega grafena in tako postal eden izmed najbolj pogosto uporabljenih materialov v kemiji grafena. Grafen oksid (GO) je produkt grafenskih plasti z oksidanti, ki vsebujejo kisik, to pa so atomarni kisik, hidroksili (OH) in karboksili (COOH). [15]

Struktura grafena je lahko popačena že z delno oksidacijo, zato so kemijsko proizvedeni grafen oksidi amorfni. Zaradi naključnega orientiranja kisikovih funkcionalnih skupin je tudi struktura grafenskih plasti neurejena. Zaenkrat ni predstavljenih metod, ki bi omogočale specifično oksidacijo grafena s posameznimi kisikovimi skupinami. S pomočjo jedrske magnetne resonance (NMR), Ramanske, IR in rentgenske fotoelektronske (XPS) spektroskopije so določili funkcionalne skupine, ki se nahajajo v GO. To so v večini COOH, OH in C=O skupine na robovih grafen oksida, medtem ko je

9

notranjost CO prekrita predvsem z epoksidnimi (C-O-C) in hidroksilnimi skupinami (OH). Stopnja oksidacije grafena je odvisna od začetnega materiala in načinom oksidacije le tega. [15] Funkcionalne skupine s kisikom so odgovorne za višjo hidrofilnost površine, poleg tega pa tudi lažjo funkcionalizacijo, kar poveča možnost uporabe v nanokompozitnih materialih.[16]

Z redukcijo GO pridobimo reducirani grafen oksid (rGO), ki je GO z zmanjšanim številom kisikovih skupin. Z zmanjševanjem kisikovih spojin se tako lahko bližamo lastnostim, ki jih ima čisti grafen. Najnovejša oblika grafena so tako imenovane grafenske kvantne točke (graphene quantum dots), ki so po obliki grafenske plasti, le da je njihova velikost manjša od 100 nm. Tako so še bolj poudarjene robne lastnosti grafena. [16]

1.3.2 Primer uporabe hidrogela grafena in TEMPO CNF

Hidrogele TEMPO modificiranih celuloznih nanovlaken (TOCNF – tempo oksidirana celulozna nanovlakna) in grafena je raziskoval Zheng s kolegi [17]. Naredili so raztegljiv, vzdržljiv, prevoden kompozitni hidrogel s sposobnostjo samoceljenja, ki je bil zgrajen iz TEMPO modificirane nanoceluloze z grafenom s poliakrilno kislino (TOCNF-GF/PAA).

Tak material je bil namenjen uporabi v senzoriki človeškega gibanja. Pri izbiri komponent materiala je dodatno pripomoglo dejstvo, da je nanoceluloza okolju prijazen material in močno pripomore pri disperziji grafena v hidrogelu. Izmerili so dobro mehansko trdnost, električno prevodnost in razteg pri zlomu. Te lastnosti hidrogela vplivajo na odličnost senzorjev, ki so sposobni merjenja človeškega gibanja, prav tako pa so cenovno dostopni in okolju prijazni. Predstavljajo velik potencial na več področjih, kot npr. uporaba v elektronski koži in robotiki. [17]

1.3.3 Grafenske nanoploščice

Grafenske nanoploščice (GNP) so za razliko od grafena cenejše za izdelavo in se jih izdeluje v množični proizvodnji. Grafenske ploščice so različnih velikosti in debelin, imajo različno razmerje stranic in različno vsebnost napak. Te lastnosti so odvisne predvsem od načina priprave. GNP navadno pripravljajo z mletjem s krogeljnim mlinom, z mokrim mletjem, izpostavljanje kislinsko interkaliranega grafita mikrovalovom. GNP so zgrajene iz enoslojnih in večslojnih grafenskih plasti pomešane z debelejšim grafitom.

[18]

Komercialno dostopne GNP so mešanica enoplastnega in večplastnega grafena ter nanostrukturiranega grafita. Grafenske nanoploščice se uporabljajo na večih področjih, za izboljšanje triboloških in mehanskih lastnosti materialov, kot zaviralci gorenja in izboljšanje toplotne prevodnosti materialov. GNP lahko plastiko spremenijo v električni prevodnik in se tako lahko uporablja v elektrotehniki. Zaradi izboljšanja termičnih lastnosti materialov se materiale z vsebnostjo GNP uporablja tudi kot toplotne vmesnike.

[18]

10

Zaradi različnih uporab GNP njihove lastnosti izboljšamo s funkcionalizacijo. Dve taki vrsti funkcionalizacije sta funkcionalizacija GNP z amino skupino (- NH₂) in karboksilno skupino (- COOH).

Grafen modificiran z amino skupino se uporablja kot nano dodatek naprednim kompozitnim materialom, kot dodatek baterijam in kondenzatorjem, v premazih in lepilih. Dodana amino skupina omogoča nastanek kemijskih vezi med komponentami kompozitov. [19, 20]

Podobna področja uporabe kot grafen funkcionaliziran z amino skupino ima tudi grafen modificiran s karboksilno skupino. Uporablja se predvsem pri uporabi v barvah, premazih in epoksi kompozitih. [19, 20]

1.4 Reologija

1.4.1 Splošno o reologiji

Reologija je veda o tokovnem obnašanju in deformaciji materiala. Združuje znanja več znanstvenih disciplin, kot so biologija, kemija, kemijsko inženirstvo, medicina in fizika.

S pomočjo reologije opišemo mehanske lastnosti snovi (tekočine, poltrde snovi, viskoelastične snovi). Reologija nam lahko omogoča tudi spremljanje kemijskih reakcij in podrobno spoznavanje strukture polimerov. Nepogrešljiva je pri določevanju lastnosti snovi v industriji, tako na začetku kot koncu proizvodnje in pri načrtovanju novih produktov. [21]

Kot osnova za poznavanje reologije so v nadaljevanju predstavljeni osnovni reološki pojmi, ki jih najpogosteje predstavljamo z razlago toka tekočine med dvema ploščama.

[21]

• 𝜼 − viskoznost: predstavlja upor proti drsenju tekočine, kadar govorimo o strižnem toku med vzporednima ploščama. Viskoznost je proporcionalnostni faktor med strižno napetostjo in strižno hitrostjo, kot je prikazano v enačbi 1. [21]

𝜏 = 𝜂 ∙ 𝛾̇ (1)

• 𝝉 − strižna napetost: sila, ki deluje na enoto podlage (ploskve) in se izoblikuje zaradi toka (enačba 2). [21]

𝜏 = 𝐹

𝐴 (2)

11

•  ̇ − strižna hitrost je sprememba hitrosti na dolžinsko enoto razmika med ploščama (enačba 3). [21]

𝛾̇ = Δ𝑣_𝑥

Δ𝑦 (3)

Reologija tekočine razdeli na dve vrsti, na idealne newtonske in neidealne nenewtonske tekočine, pravimo jim tudi realne tekočine. Te izkazujejo spreminjanje viskoznosti glede na strižno napetost. Posebno vrsto obnašanja prikazujejo psevdoplastične tekočine. Le te pri nizkih in visokih vrednostih strižne hitrosti ohranjajo podobno viskoznost. To sta viskoznosti prvega newtonskega območja (₀) in viskoznost drugega newtonskega območja (_). V vmesnem območju strižnih hitrosti viskoznost upada. Razlog za takšno obnašanje je urejanje delcev v tekočini. Pri nižjih strižnih napetostih so delci v tekočini urejeni naključno, medtem ko se pri visokih strižnih napetostih urejajo v smeri toka. Bolj kot so delci urejeni, nižja je viskoznost tekočine. [21]

Za opis realnih tekočin uporabljamo različne modele, kot je npr. Crossov reološki model.

Z njim opišemo spreminjanje viskoznosti tekočine glede na strižno hitrost kot je prikazano v enačbi 4. [21]

 − _

₀− _ = 1

1 + (𝜆 ∙̇)^𝑛 (4)

𝜆 v enačbi 4 predstavlja točko prevoja na grafu in m hitrost upadanja viskoznosti z višanjem strižne hitrosti. Crossov model uporabljamo, kadar lahko opišemo viskoznost v širokem območju strižnih hitrosti. [21]

Eksperimentalne podatke glede na širino intervala popisujemo z različnimi modeli. Ožje območje strižnih hitrosti popisuje Siskov model. V še ožjem območju uporabimo potenčno zvezo oz. potenčni zakon, ki ga poznamo tudi pod izrazom Ostwald de Waelejeva zveza (enačba 5). [21]

 = 𝐾 ∙ ̇^(𝑚−1) (5)

Nadaljnje poznamo tekočine, ki ob dovolj veliki strižni napetosti, ki omogoči urejanje osnovnih delcev, steče. To napetost imenujemo mejna napetost. Tekočine s mejno napetostjo opisujemo z naslednjimi modeli: Binghamov model, Herschel – Bulklejev model, Cassonov model. [21]

Z oscilacijskimi meritvami izmerimo G', G'', 𝜂^∗ in določimo 𝑡𝑎𝑛𝛿, katerih definicije so predstavljene v nadaljevanju. [21, 22]

12

• G' – označuje modul akumulacije energije, ki mu pravimo tudi elastični modul ali po angleško storage modulus (enačba 6). [21, 22]

𝐺^′ = 𝜏_𝑎

𝛾_𝑎∙ 𝑐𝑜𝑠𝛿 (6)

• G'' –modul energetskih izgub oz. viskozni modul, po angleško loss modulus.

Definira del nepovrnjene energije po obremenitvi (enačba 7). [21, 22]

𝐺^′ = 𝜏_𝑎

𝛾_𝑎∙ 𝑠𝑖𝑛𝛿 (7)

• 𝜼^∗ - kompleksna viskoznost, ki označuje celotni upor snovi proti toku tekočine (enačba 8). [21, 22]

𝜂^∗ = 𝜏_𝑎

𝛾_𝑎 ∙ 𝜔 (8)

Kjer sta 𝜏_𝑎 in 𝛾_𝑎 amplitudi strižne napetosti in deformacije. Produkt 𝛾_𝑎 ∙ 𝜔 predstavlja maksimalno strižno hitrost pri testu. [21, 22]

• 𝒕𝒂𝒏𝜹 – fazni zamik, ki je definiran kot kvocient viskoznega in elastičnega modula (enačba 9). [21, 22]

𝑡𝑎𝑛𝛿 = 𝐺^′′

𝐺^′ (9)

1.4.2 Reometer

Za podrobno analizo vzorcev in določevanja reoloških lastnosti le teh, se uporabljajo za to namenjeni inštrumenti, reometri. Poznamo reometre in viskozimetre, pravilna izbira inštrumenta pa je odvisna od lastnosti merjenega fluida. Navadni viskozimetri se enostavnejši in se navadno uporabljajo v laboratorijih za hitro določitev viskoznosti, enako je z rotacijskimi viskozimetri, kjer je strižna hitrost nastavljiva. Novejše naprave z nastavljivo strižno napetosti so reometri, kot jih poznamo danes. So natančnejši, njihova uporaba pa posega predvsem v razvojne laboratorije. [21]

Rotacijske reometre in viskozimetre delimo na dve vrsti, na tiste, kjer je nastavljiva strižna hitrost in se meri strižna napetost ter tiste, kjer je strižna napetost nastavljiva in merimo strižno hitrost. Z njimi proučujemo reologijo realnih, nenewtonskih tekočin.

Pomemben je izbor kompatibilnega senzorskega sistema. [21]

13

1.4.3 Meritve na reometru – frekvenčni test

Frekvenčni testi so testi za določevanje viskoelastičnih lastnosti tekočin kot odziv na frekvenčno spreminjanje. Med merjenjem se spreminja frekvenca oscilacije, to pomeni, da se spreminja hitrost strižne deformacije. Kot odziv na te spremembe merimo dinamične količine (G', G'', 𝜂^∗, 𝑡𝑎𝑛𝛿). Oscilacijski testi se izvajajo v območju linearnega viskoelastičnega odziva. Z rezultati oscilacijskih testov lahko sklepamo, kakšno mikrostrukturo ima preiskovani vzorec, kako močne so vezi v vzorcu in kakšna je stopnja geliranosti ter premreženost polimerov. [21]

Območje linearnosti, linearnega viskoelastičnega odziva (LVO), določimo z amplitudnim testom. Amplitudni test se izvaja pri konstantni frekvenci, zvezno pa povečujemo amplitudo vstopnega signala (strižna deformacija). [21]

1.4.4 Meritve na reometru – tokovni test

Z večjim napredkom v razvoju reometrov je omogočeno opravljanje meritev pri nastavljivih strižnih hitrostih. Takšne meritve viskoznosti v odvisnosti od spremenljive strižne hitrosti, imenujemo tudi tokovni testi. S tokovnimi krivuljami lahko razlagamo strukturo in spreminjanje le te pri različnih območjih strižnih hitrosti ter določamo vrednosti mejne napetosti, saj je eksperimentalno določevanje le te velikokrat izziv. [21]

15

2 Namen dela

Nanoceluloza, kot ena izmed perspektivnejših komponent za zgradbo hidrogelov zaradi svojih lastnosti, kot so visok elastični modul, nizka gostota, velika specifična površina in neabrazivnost, dobiva vedno večjo veljavo v razvoju materialov. Površino nanoceluloze se da funkcionalizirati. Prav tako je biorazgradljiva.

Za spreminjanje lastnosti nanoceluloznih hidrogelov in posledično povečevanje števila aplikacij, hidrogelom dodajamo različne dodatke in ojačitvena sredstva, kot so npr.

ogljikova vlakna in grafen. Z dodatki lahko hidrogele naredimo odporne proti bakterijam, virusom in glivam ter spreminjamo njihove magnetne, električne in mehanske lastnosti.

[4]

Kot omenjeno je pomemben dodatek, ki ga dodajamo nanoceluloznim hidrogelom, tudi grafen. Vpliv grafena na TEMPO modificirano nanocelulozo sem preučeval tudi v svoji magistrski nalogi.

Namen magistrske naloge je bilo določiti vpliv naslednji treh vrst grafenskih nanoploščic na reološke lastnosti TEMPO modificiranih hidrogelov:

• Nemodificiran grafen

• Grafen modificiran z amino (−NH₂) skupino

• Grafen modificiran s karboksilno (−COOH) skupino

Z reološkimi meritvami sem želel določiti vpliv staranja hidrogelov. Poleg vpliva staranja hidrogelov je bil cilj magistrske naloge tudi določitev vpliva posameznega grafena na reološke lastnosti hidrogelov s TEMPO modificirano nanocelulozo ter vpliv različnih koncentracij modificiranih grafenov na reološke lastnosti suspenzij.

Poleg tega sem želel določiti tudi vpliv pH vrednosti na reološko obnašanje posameznih hidrogelov TEMPO modificirane nanoceluloze.

17

3 Eksperimentalni del

3.1 Naprave in pripomočki

• Spatula

• Čaša

• Žlička

• Magnetno mešalo

• Magnet

• Analitska tehtnica

• Kapalka

• Ladjica za tehtanje

• Digestorij

• Hladilnik

• Plastične čaše in pokrovčki za shranjevanje

• Reometer

• Orodje reometra (ključ, žlička, spatula)

• Parafilm

• pH meter

• Konduktometer

3.2 Uporabljeni materiali

3.2.1 TEMPO modificirana celulozna nanovlakna

Pri raziskovanju sem uporabljal TEMPO modificirana celulozna nanovlakna, kupljena pri proizvajalcu The University of Maine. Kemijska formula TEMPO CNF je (𝐶₆𝐻₁₀𝑂₅)_𝑋(𝐶₆𝐻₉𝑂₄𝐶𝑂₂𝑁𝑎)_𝑦. Uporabljena nanoceluloza je vsebovala 1,4 mmol - COONa/g suhe nanoceluloze. TEMPO CNF ni nevarna, v prevelikih količinah je dražeča, zato je ob rokovanju s TEMPO CNF priporočljivo nošenje osnovne laboratorijske zaščitne opreme (očala, halja in rokavice), priporočljiva je tudi uporaba odduhe. [23]

3.2.2 Grafenske nanoploščice (GNP), GNP modificirane s karboksilno skupino in GNP modificirane z amino skupino

Pri eksperimentalnem delu sem uporabljal 3 vrste grafenskih nanoploščic (GNP). To so bile navadne GNP, GNP modificirane s karboksilno skupino (-COOH) in GNP modificirane z amino skupino (-NH₂). Produkti so bili kupljeni na strani www.cheaptubes.com [24].

18

GNP – COOH, kot navaja proizvajalec, vsebuje 7 ut % +/- 1,5 % karboksilne skupine in ima čistost več kot 99 %. Prav tako je bil GNP – COOH razreda 4, kar po podatkih proizvajalca pomeni, da so grafenske nanoploščice tanjše od 4 nm. Poleg tega imajo površino velikosti več kot 700 m² na gram vzorca. Kot možnosti uporabe proizvajalec navaja delo z barvami, epoksi materiali ter drugimi polimeri. [25]

Enake specifikacije kot GNP – COOH, sta imela tudi GNP in GNP - NH₂. Uporabljena materiala sta bila označena z razredom 4 (GNP tanjše kot 4 nm), s čistostjo več kot 99 % in površino več kot 700 m² na gram vzorca. Vsebnost amino skupin v GNP - NH₂ je bila enaka kot pri GNP – COOH, 7 ut % +/- 1,5 %. [25]

3.3 Priprava vzorcev

3.3.1 Priprava suspenzij 3 % TEMPO CNF

Za pripravo 3 % raztopine celuloznih nanovlaken sem uporabil TEMPO modificirana celulozna nanovlakna (TEMPO CNF) z vsebnostjo 1,4 mmol COONa/g. Zatehtal sem 12 g celuloznih nanovlaken in 588 g demineralizirane vode z dodanim 0,02 % NaN₃. Z dodatkom NaN₃ sem preprečil razvoj bakterij v vzorcu. Raztopino sem pripravljal po delih. V čašo sem postopoma dajal TEMPO CNF, katero sem vsakič zalil z delom vode, in to ponavljal do porabe zatehtanih količin. S tako pripravo sem zagotovil dobro osnovo za mešanje, saj sem preprečil nastanek suhih skupkov TEMPO CNF.

Zatehtane snovi v čaši sem mešal z magnetnim mešalom 24 h pri 750 obratov/min. Zaradi možnega izhlapevanja sem čašo pokril z aluminijasto folijo in obvil s parafilmom.

Po končanem mešanju sem mešanico prelil v veliko plastično posodo za shranjevanje.

Pripravljen material sem hranil v hladilniku.

3.3.2 Priprava suspenzij 2 % TEMPO CNF

Iz pripravljene 3 % TEMPO CNF sem pripravil 2 % mešanico. Zatehtal sem 20 g 3 % TEMPO CNF in dodal vodo do celotne mase 30 g. 2 % TEMPO CNF brez dodatkov sem pripravil zaradi možnosti nadaljnje primerjave z vzorci, ki so vsebovali dodatke (grafen, grafen modificiran z NH₂ in grafen modificiran s COOH skupinami).

3.3.3 Priprava suspenzij TEMPO CNF z dodatki različnih vrst grafena

Pripravil sem vzorce 2 % TEMPO CNF z dodatki 3 različnih vrst grafena. Uporabil sem grafenske nanoploščice modificirane z NH₂ skupino, modificirane s COOH skupino in nemodificirane grafenske nanoploščice.

V nadaljevanju so predstavljene enačbe za izračun deleža TEMPO modificirane nanoceluloze v suspenziji (enačba 10) ter za izračun deleža grafena v suspenziji TEMPO

19

CNF (enačba 11). Delež grafena v suspenzijah sem definiral glede na maso suhe nanoceluloze v suspenziji.

% 𝑇𝐸𝑀𝑃𝑂 𝐶𝑁𝐹 𝑣 𝑠𝑢𝑠𝑝𝑒𝑛𝑧𝑖𝑗𝑖 = 𝑚 (𝑇𝐸𝑀𝑃𝑂 𝐶𝑁𝐹 𝑠𝑢ℎ𝑎)

𝑚 (H₂O) + 𝑚(𝑔𝑟𝑎𝑓𝑒𝑛) + 𝑚 (𝑇𝐸𝑀𝑃𝑂 𝐶𝑁𝐹 𝑠𝑢ℎ𝑎)∙ 100 % (10)

𝑢𝑡 % 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑒𝑛𝑎 = 𝑚 (𝑔𝑟𝑎𝑓𝑒𝑛)

𝑚 (𝑇𝐸𝑀𝑃𝑂 𝐶𝑁𝐹) ∙ 𝑋 (𝑇𝐸𝑀𝑃𝑂 𝐶𝑁𝐹)∙ 100 % (11)

X v enačbi 11 predstavlja delež TEMPO CNF v uporabljeni suspenziji TEMPO CNF.

Vzorce sem pripravljal iz 3 % suspenzije TEMPO CNF.

Pripravljal sem 30 g posameznega vzorca. Sprva sem v čašo zatehtal 3 % TEMPO – CNF, dodal posamezen grafen in zopet dodal potrebno količino nanoceluloze. S takšnim načinom dodajanja sem preprečil prijemanje lahkega grafena na stene med mešanjem.

Vzorec sem dopolnil do 30 g z demineralizirano vodo. Iz zatehtanih vrednosti sem določil točne koncentracije TEMPO CNF in točne deleže dodanega grafena modificiranega z amino skupino glede na maso čiste nanoceluloze. Končne vrednosti deležev so zelo dober približek postavljenim teoretičnim vrednostim.

Po pripravi posameznih mešanic sem v čaše dal magnetna mešala in vzorce mešal 3 ure na 750 obratih/min pri sobni temperaturi. Vzorci so bili pokriti z aluminijasto folijo in obviti s parafilmom, da sem preprečil izhlapevanje. Nato sem vzorce prelil v plastične čaše in jih shranil v hladilnik do izvajanja meritev.

Na enak način sem pripravil suspenzije TEMPO CNF z grafenom modificiranim z amino skupino, grafenom modificiranim s karboksilno skupino in suspenzije TEMPO CNF z nemodificiranim grafenom. Realne preračunane koncentracije so za suspenzije TEMPO CNF z grafenom NH₂ prikazane v tabeli 1, za suspenzije z grafenom modificiranim s karboksilno skupino v tabeli 2 in za suspenzije TEMPO CNF z nemodificiranim grafenom v tabeli 3.

20

Tabela 1: Zatehtane vrednosti pri pripravi vzorcev suspenzije TEMPO CNF z različnimi deleži grafena modificiranega z amino skupinami. Prikazane so tudi vrednosti realnih

deležev TEMPO CNF v suspenziji in deležev dodanega grafena NH₂.

GRAFEN - NH₂ 1% 5% 10% 15% 25% 50%

m₁ (TEMPO CNF) [g] 10,0038 10,0026 10,0035 10,0074 10,0033 10,0014 m (grafen NH₂ ) [g] 0,0062 0,0303 0,0609 0,0901 0,1517 0,302 m₂ (TEMPO CNF) [g] 10,0046 10,0104 10,0154 10,0084 10,0117 10,013 m (H₂O) [g] 10,0002 9,957 9,9283 9,9017 9,8436 9,6875

% TEMPO CNF

(realni) 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00

% grafen NH₂

(realni) 1,03 5,05 10,14 15,00 25,26 50,30

Tabela 2: Zatehtane vrednosti pri pripravi vzorcev suspenzije TEMPO CNF z različnimi deleži grafena modificiranega s karboksilnimi skupinami. Prikazane so tudi

vrednosti realnih deležev TEMPO CNF v suspenziji in deležev dodanega grafena s COOH skupinami.

GRAFEN - COOH 5% 10% 15% 25% 50%

m₁ (TEMPO CNF) [g] 10,0018 10,0011 10,0073 10,0008 10,0074 m (grafen COOH ) [g] 0,0295 0,0604 0,0899 0,1495 0,3007 m₂ (TEMPO CNF) [g] 10,0134 10,0076 10,0166 10,0023 10,0013 m (H₂O) [g] 9,9639 9,9722 9,8948 9,8469 9,6956

% TEMPO CNF (realni) 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00

% grafen COOH (realni) 4,91 10,06 14,97 24,91 50,09

21

Tabela 3: Zatehtane vrednosti pri pripravi vzorcev suspenzije TEMPO CNF z različnimi deleži grafena. Prikazane so tudi vrednosti realnih deležev TEMPO CNF v

suspenziji in deležev dodanega grafena.

GRAFEN 5% 15% 50%

m₁ (TEMPO CNF) [g] 10,0003 10,0011 10,0077

m (grafen) [g] 0,0309 0,0902 0,2996

m₂ (TEMPO CNF) [g] 10,0008 10,0005 10,0006 m (H₂O) [g] 9,9938 9,9085 9,6875

% TEMPO CNF (realni) 2,00 2,00 2,00

% grafen (realni) 5,15 15,03 49,91

3.3.4 Priprava suspenzij TEMPO CNF za določitev vpliva pH vrednosti

Za določitev vpliva pH vrednosti na reološke lastnosti hidrogelov sem pripravil 4 različne suspenzije TEMPO CNF. Sprva sem pripravljal vzorce z 1M HCl. Pripravil sem 2 % TEMPO CNF. Suspenzijo sem mešal na magnetnem mešalu in v raztopino potopil elektronski pH meter. V zmes sem postopoma dodajal 1 M HCl in spremljal pH vrednost.

Kislino sem dodajal toliko časa, dokler se pH vrednost ni ustalila na pH = 3. Naslednji vzorec sem pripravil s 50 ut % grafena modificiranega z amino skupino in ponovil postopek uravnavanja pH vrednosti na pH = 3. Tako sem imel pripravljena 2 vzorca s pH

= 3. Na enak način sem pripravil vzorca s pH = 11. Uporabil sem 0,1 M NaOH. Vzorce sem na magnetnem mešalu mešal 2 dni, nato pa prelil v plastične posodice in jih shranil v hladilnik do izvajanja meritev. V tabeli 4 so prikazane zatehtane vrednosti in natančne pH vrednosti, izmerjene z elektronskim pH metrom.

22

Tabela 4:Izmerjene pH vrednosti suspenzij TEMPO CNF in suspenzij TEMPO CNF z dodanim grafenom NH₂. Prikazane so izračunane realne vrednosti deležev TEMPO

CNF v suspenziji in deležev grafena modificiranega z NH₂ skupinami v suspenziji TEMPO CNF.

Vzorec pH = 3 pH = 3 pH = 11 pH = 11

m (TEMPO CNF) [g] 40,005 39,999 40,007 40,008

m (HCl) [g] 1,923 1,89 / /

m (NaOH) [g] / / 3,02 3,08

m₁(H₂O) [g] 15,641 8,296 10,952 9,853

Izmerjena pH vrednost 3,02 3,08 10,98 10,98

m (grafen NH₂) [g] 0,6005 / 0,6004 /

m₂ (H₂O) [g] 1,86 9,826 5,448 7,126

% TEMPO CNF (realni) 1,999 2,000 1,999 1,998

% grafen (realni) 50,04 / 50,02 /

3.4 Metode karakterizacije

3.4.1 Reološke meritve

Meritve sem izvajal na reometru Anton Paar Physica MCR 301, ki je prikazan na sliki 4.

Za vsak vzorec sem opravil 2 testa. Meril sem spreminjanje viskoznosti v odvisnosti od strižne napetosti in hitrosti ter elastični in viskozni modul v odvisnosti od frekvence. Pred izvajanjem meritev sem naredil amplitudni preizkus, s pomočjo katerega sem določil linearno območje viskoelastičnega odziva, ki sem ga upošteval pri merjenju. Pri izvajanju meritev je bilo pomembno, da sem najprej izvedel frekvenčni test in šele nato tokovni test, saj je tokovni test destruktiven za vzorec in bi tako porušil strukturo vzorca.

23

Slika 4: Reometer Anton Paar Physica MCR 301, s katerim sem izvajal reološke meritve.

Tokovni test sem izvajal pri temperaturi 25 °C pri strižni napetosti od 0,03 do 3000 Pa z izrisom 5 točk na dekado. Tako sem dobil grafe viskoznosti v odvisnosti od strižne napetosti in hitrosti. Podatke sem opisal s pomočjo Crossovega modela.

Frekvenčne teste sem izvajal v območju linearnega viskoelastičnega odziva, amplituda strižne deformacije je znašala 0,1 %. S frekvenčnimi testi sem dobil elastični (G') in viskozni modul (G'') v odvisnosti od frekvence, med 0,01 in 100 Hz. Enako kot tokovne teste sem izvajal tudi frekvenčne teste pri temperaturi 25 °C in izrisom 5 točk na dekado.

3.4.2 Konduktometrična titracija

Za določevanje vsebnosti amino in karboksilnih skupin v posameznem modificiranem grafenu sem uporabil konduktometrično titracijo. 0,1 g posameznega vzorca sem odtehtal v čašo in dodal 100 ml demineralizirane vode. Pri titriranju karboksilne skupine sem za uravnavanje pH vrednosti uporabil 0,01 M HCl, nato pa za izvedbo titracije 0,001 M NaOH. Obratno sem naredil pri določevanju amino skupine, kjer sem za uravnavanje pH vrednosti uporabil 0,001 M NaOH in nato za titracijo 0,01 M HCl.

Titracijo sem izvedel pri 25 °C. Pri titraciji sem meril prevodnost (v mikrosiemensih 𝜇𝑆) v odvisnosti od volumna dodane raztopine (raztopina HCl pri titriranju grafena - NH₂ in raztopina NaOH pri titriranju grafena – COOH).

25

4 Rezultati in razprava

4.1 Dodatek nemodificiranega grafena v suspenzije TEMPO CNF;

vpliv staranja na reološke lastnosti suspenzij

4.1.1 Tokovni testi

Za prikaz vpliva staranja sem sprva primerjal tokovne krivulje, ki prikazujejo viskoznost v odvisnosti od strižne napetosti in so prikazane na sliki 5. Eksperimentalne podatke sem primerjal pri 3 različnih časih, po 24 h, 42 – 48 dneh in po 116 dneh. Na sliki 1 (A) so prikazani rezultati tokovnega testa za vzorec 2 % TEMPO CNF brez dodanega grafena.

Opazim, da se viskoznost s časom viša. Vidno je, da s časom vzorci kljubujejo višjim strižnim napetostim, viša se mejna napetost. Enak trend opazim na slikah 1 (B), 1 (C) in 1 (D), kjer je bilo v vzorcih prisotnega 5 %, 15 % in 50 % grafena.

Eksperimentalne podatke sem opisal s Crossovim modelom, kot je prikazano na sliki 6.

S Crossovim modelom sem uspel opisati obnašanje suspenzij pri nizkih in visokih strižnih hitrostih ter določiti kritično strižno hitrost, kjer se začne spreminjati struktura materiala in začne viskoznost padati, zaradi preurejanja polimernih verig. Poleg tega sem določil tudi viskoznost pri kritični strižni hitrosti.

Povišanje viskoznosti hidrogelov s časom je posledica spremembe mikro in nanostrukture TEMPO CNF s časom, kot navaja Šebenik s kolegi [26]. Razlog za spremembo viskoznosti TEMPO CNF s časom navajajo urejanje nanoceluloznih vlaken v klastre kot posledica različnih interakcij, kot so vodikove in van der Waalsovih vezi, velik vpliv na povišanje viskoznosti pa ima lahko tudi elektrostatski odboj med vlakni [26]. Podobno razlaga Ivanetič [27] v svojem magistrskem delu, ki pravi, da je povišanje viskoznosti posledica izgradnje tridimenzionalne strukture v hidrogelih. Možnost tvorjenja vodikovih vezi med karboksilnimi in hidroksilnimi skupinami v TEMPO CNF in povezovanje verig z van der Waalsovimi vezmi se kaže v povišanju viskoznosti hidrogelov TEMPO CNF s časom. [27]

26

(A) (B)

(C) (D)

Slika 5: Rezultati tokovnih testov, ki prikazujejo odvisnost viskoznosti od strižne napetosti za TEMPO CNF suspenzije z različnimi deleži dodanega grafena: pri dodatku

0 % grafena (A), dodatku 5 % grafena (B), 15 % grafena (C) in 50 % grafena (D).

Vzorci so primerjani po časih 24 h, 48 dni in 116 dni.

Za opis eksperimentalnih podatkov tokovnih testov sem uporabil Crossov model. Čeprav model popisuje območji pri visokih in nizkih strižnih hitrostih, sem na podlagi meritev natančno lahko opisal predvsem območje pri nizkih strižnih hitrostih. Na sliki 6 so prikazane viskoznosti vzorcev za različne deleže dodanega grafena v odvisnosti od strižne hitrosti. Napoved s Crossovim modelom je prikazana s krivuljami, medtem ko so eksperimentalni podatki točke na slikah.

Enako kot pri rezultatih tokovnih testov na sliki 5, lahko opazim povišanje vrednost viskoznosti hidrogelov TEMPO CNF z dodanim grafenom s časom.

27

(A) (B)

(C) (D)

Slika 6: Viskoznosti v odvisnosti od strižne hitrosti za vodne suspenzije TEMPO CNF z 0 % grafena (A), 5 % grafena (B), 15 % grafena (C) in 50 % grafena (D). Točke (•) predstavljajo eksperimentalne podatke, medtem ko črte (⎯ ) predstavljajo vrednosti

predstavljene s Crossovim modelom za posamezen delež dodanega grafena.

S pomočjo Crossovega modela sem določil viskoznost prvega newtonskega nivoja (0), katere vrednosti so prikazane v tabeli 5. Vrednosti 0 so za posamezno koncentracijo dodanega grafena v odvisnosti od časa prikazane na sliki 7.

Iz Crossovega modela sem pridobil še viskoznost drugega newtonskega nivoja ∞, ki predstavlja viskoznost pri visokih strižnih hitrostih, ter konstanti n in . Vrednosti so prikazane v tabeli 5. Izračunal sem kritično strižno hitrost γ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.} kot obratno vrednost λ in viskoznost  pri kritični strižni hitrosti γ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.}, kot aritmetično povprečje viskoznosti prvega in drugega newtonovega platoja 0 in ∞.

γ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.} sem v odvisnosti od časa za vse koncentracije prikazal na sliki 8, enako sem naredil za viskoznost  pri kritični strižni hitrosti γ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.}, ki je prikazana na sliki 9.

28

Slika 7: Viskoznost prvega newtonskega nivoja (0 )v odvisnosti od časa za TEMPO CNF suspenzije z različnimi deleži dodanega grafena

Slika 8: Kritična strižna hitrost ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.} v odvisnosti od časa za TEMPO CNF suspenzije z različnimi deleži dodanega grafena

29

Slika 9: Viskoznost () pri kritični strižni hitrosti ̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡.} v odvisnosti od časa za TEMPO CNF suspenzije z različnimi deleži dodanega grafena

Tabela 5: Parametri Crossovega modela za TEMPO CNF suspenzije z različnimi deleži dodanega grafena, viskoznosti v območju prvega (𝜂₀) in drugega (𝜂_∞) newtonskega nivoja, konstanti 𝜆 in n ter izračunana kritična strižna hitrost (𝛾̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡}) in viskoznost (𝜂) pri

𝛾̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡}.

Vrednost 0 se za TEMPO CNF brez dodanega grafena s časom zvišuje. Pri koncentracijah 5 %, 15 % in 50 % grafena v TEMPO CNF suspenzijah pa so vrednosti najvišje pri meritvah, izvedenih po 48 dneh. To opažanje je zanimivo, saj bi bilo pričakovano, da bi se vsi vzorci obnašali podobno kot suspenzija TEMPO CNF brez dodanega grafena, in bi se tako viskoznost prvega newtonskega nivoja s časom zvišala.

Iz podatkov v tabeli 5 je razvidno, da so vrednosti viskoznosti 0 za suspenzijo TEMPO CNF brez dodanega grafena po časih 48 dni in 116 dneh višje kot po 24 h, kar je

30

pričakovano. Verige nanoceluloze se s časom urejajo, med njimi se pojavijo interakcije, kot je razloženo v poglavju 4.1.1.

Viskoznosti 𝜂_∞ so pri vzorcih podobne, ne opazim izrazitega odstopanja. Pri interpretaciji 𝜂_∞ je potrebno omeniti tudi možnost slabšega opisa s Crossovim modelom zaradi manjše količine meritev, ki sem jo pri visokih strižnih hitrostih pri posamezni suspenziji uspel pridobiti.

Kritične strižne hitrosti 𝛾̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡} so pri vzorcih z dodatkom 0 % in 5 % grafena podobne skozi celotno časovno obdobje, medtem ko so pri 15 % in 50 % grafena vrednosti rezultatov po 48 dneh najnižje. Po 116 dneh vrednosti 𝛾̇_{𝑐𝑟𝑖𝑡}vzorci 15 % in 50 % kažejo najvišjo kritično strižno hitrost, kar je najverjetneje posledica večje vsebnosti nedispergirane faze.

Pri določevanju viskoznosti pri kritični strižni hitrosti opazim povišane vrednosti v prvem časovnem obdobju (po 48 dneh). Povišanje je najbolj izrazito pri dodatku 50 % grafena.

Poleg tega so vrednosti viskoznosti pri kritični strižni hitrosti po 116 dneh nižje kot po 48 dneh. Glede na to, da tak trend izkazujejo tudi viskoznosti prvega newtonskega nivoja vzorcev z dodanimi 5 %, 15 % in 50 % grafena lahko zaključim, da je bila urejenost celuloznih nanovlaken po 116 dneh manjša kot po 48 dneh, kar je po mojem mnenju posledica dodatka grafena, ki z vrivanjem med verige preprečuje interakcije med verigami in s tem nižanje viskoznosti s časom.

4.1.2 Frekvenčni testi

Vpliv staranja sem preučeval tudi s frekvenčnimi testi. Primerjal sem elastični (G') in viskozni (G'') modul ter fazni zamik tanδ, kot kvocient viskoznega in elastičnega modula.

Časovna primerjava rezultatov frekvenčnih testov za posamezne koncentracije je prikazana na sliki 10. Pri vseh koncentracijah je razvidno, da s časom vrednosti G' in G'' naraščata. To se vidi tudi pri primerjavah tanδ, katere vrednosti s časom padajo. Vzorci s časom pridobivajo elastične lastnosti, ki so značilne za gel, kar je bilo opaziti tudi pri opravljanju meritev na reometru. Najvišji G' ima dodatek TEMPO CNF suspenzija z 50

% grafena po 116 dneh. Vrednosti G' se gibljejo okrog 100 Pa v frekvenčnem območju od 0,01 Hz do 100 Hz. Razlog za povišanje G' in G'' zopet lahko najdem v časovnem urejanju TEMPO CNF fibril in interakcijah med njimi ter znotraj le teh, kot je razloženo pri časovni primerjavi tokovnih testov.