Cellulose nanocrystals and related nanocomposites: Review of some properties and challenges

Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics

Volumn 52, Issue 12, 2014, Pages 791-806

  Mariano, Marcos ^a,b   El Kissi, Nadia ^b   Dufresne, Alain ^a  

^a INP Grenoble EFPG   (France)

^b Univ Joseph Fourier Grenoble 1   (France)

Author keywords

barrier; biofibers; cellulose; mechanical properties; nanocomposites; nanoparticles; polysaccharides

Indexed keywords

ASPECT RATIO; ELASTIC MODULI; MECHANICAL PROPERTIES; NANOCOMPOSITES; NANOPARTICLES; POLYSACCHARIDES;

AMORPHOUS MATRICES; BARRIER; BARRIER PROPERTIES; BIOFIBERS; CELLULOSE NANO-CRYSTALS; CELLULOSE NANOFIBRILS; CHEMICALLY MODIFIED; LIGNOCELLULOSIC FIBERS;

CELLULOSE;

EID: 84900470075     PISSN: 08876266     EISSN: 10990488     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/polb.23490     Document Type: Review

References (149)

1. C. M. Roco, C. A. Mirkin, M. C. Hersam, J. Nanopart. Res. 2011, 13, 897-919.
2. Terminology for Nanomaterials, British Standards, PAS 136: 2007; BSI, London, UK, 2007.
3. J. B. Miller, E. K. Hobbie, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 2013, 51, 1195-1208.
4. K. J. Klabunde, J. Stark, O. Koper, C. Mohs, D. G. Park, S. Decker, Y. Jiang, I. Lagadic, D. Zhang, J. Phys. Chem. 1996, 100, 12142-12153.
5. A. Dufresne, Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials; Walter de Gruyter GmbH: Berlin/Boston, 2012.
6. V. Favier, G. R. Canova, J. Y. Cavaillé, H. Chanzy, A. Dufresne, C. Gauthier, Polym. Adv. Technol. 1995, 6, 351-355.
7. D. H. Milanez, R. M. Do Amaral, Mater. Res, 2013, 16, 635-641.
8. The Global Market for Nanocellulose. Future markets Inc, 2013.
9. T. Nishino, In Green Composites;, C. Baillie, Ed.; CRC Press, Boca Raton, Boston, New York, Washington DC, 2004; Chapter 4, pp 61-79 -79.
10. A. J. de Menezes, G. Siqueira, A. A. S. Curvelo, A. Dufresne, Polymer 2009, 50, 4552-4563.
11. C. Mancera, F. Ferrando, J. Salvadõ, N. E. El Mansouri, Biomass Bioenerg. 2011, 35, 2072-2079.
12. C. Crestini, M. Crucianelli, M. Orlandi, R. Saladino, Catal. Today 2010, 156, 8-22.
13. S. Qian, H. Mao, K. Sheng, J. Lu, Y. Luo, C. Hou, J. Appl. Polym. Sci. 2013, 130, 1667-1674.
14. K. Kamide, Cellulose and Cellulose Derivatives; Elsevier B.V., Amsterdam, The Netherlands, 2005.
15. H. U. Suess, Pulp Bleaching Today; de Gruyter, GmbH & Co. KG: Berlin/New York, 2010.
16. L. B. Brasileiro, J. L. Colodette, D. P. Veloso, Quim. Nova 2001, 24, 819-829.
17. M. J. John, S. Thomas, Carbohydr. Polym. 2008, 71, 343-364.
18. T. Kondo, In Polysaccharides: Structural Diversity and Functional Versatility;, S. Dimitriu, Ed.; Marcel Dekker Inc.: New York, 1998; Chapter 3, pp 131-172 -172.
19. K. Meyer, W. Lotmar, Helv. Chim. Acta 1936, 19, 68-86.
20. L. R. G. Treloar, Polymer 1960, 1, 290-303.
21. K. Tashiro, M. Kobayashi, Polym. Bull. 1985, 14, 213-218.
22. M. A. Jaswon, P. P. Gillis, R.E. Mark, Proc. Roy. Soc. 1968, 306, 389-412.
23. L. M. J. Kroon-Batenburg, J. Kroon, M. G. Northolt, Polym. Commun. 1986, 27, 290-292.
24. K. Tashiro, M. Kobayashi, Polymer 1991, 32, 1516-1526.
25. S. Reiling, J. Brickmann, Macromol. Theory Simul. 1995, 4, 725-743.
26. S. Neyertz, A. Pizzi, A. Merlin, B. Maigret, D. Brown, X. Deglise, J. Appl. Polym. Sci. 2000, 78, 1939-1946.
27. S. J. Eichhorn, G. R. Davies, Cellulose 2006, 13, 291-307.
28. F. Tanaka, T. Iwata, Cellulose 2006, 13, 509-517.
29. M. Bergenstråhle, L. A. Berglund, K. Mazeau, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 9138-9145.
30. M. S. Cintrõn, G. P. Johnson, A. D. French, Cellulose 2011, 18, 505-516.
31. X. Wu, R. Moon, A. Martini, Cellulose 2013, 20, 43-55.
32. F. L. Dri, L. G. Hector Jr., R. J. Moon, P. D. Zavattieri, Cellulose 2013, 20, 2703-2718.
33. J. Ganster, J. Blackwell, J. Mol. Model. 1996, 2, 278-285.
34. I. Sakurada, Y. Nukushina, T. Ito, J. Polym. Sci. 1962, 57, 651-660.
35. M. Matsuo, C. Sawatari, Y. Iwai, F. Ozaki, Macromolecules 1990, 23, 3266-3275.
36. T. Nishino, K. Takano, K. Nakamae, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 1995, 33, 1647-1651.
37. J. Mann, L. Roldan-Gonzales, Polymer 1962, 3, 549-553.
38. R. Rusli, S. J. Eichhorn, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 033111-1-3.
39. A. Šturcova, G. R. Davies, S. J. Eichhorn, Biomacromolecules 2005, 6, 1055-1061.
40. I. Diddens, B. Murphy, M. Krisch, M. Müller, Macromolecules 2008, 41, 9755-9759.
41. S. Iwamoto, W. Kai, A. Isogai, T. Iwata, Biomacromolecules 2009, 10, 2571-2576.
42. A. Dufresne, Mater. Today 2013, 16, 220-227.
43. Y. Habibi, L. A. Lucia, O. J. Rojas, Chem. Rev. 2010, 110, 3479-3500.
44. B. G. Rånby, Acta Chem. Scand. 1949, 3, 649-650.
45. M. Roman, W. T. Winter, Biomacromolecules 2004, 5 1671-1677.
46. Y. Habibi, A. L. Goffin, N. Schiltz, E. Duquesne, P. Dubois, A. Dufresne, J. Mat. Chem. 2008, 18, 5002-5010.
47. K. B. R. Teodoro, E. M. Teixeira, A. C. Corrêa, A. de Campos, J. M. Marconcini, L. H. C. Mattoso, Polímeros 2011, 21, 280-285.
48. T. Ebeling, M. Paillet, R. Borsali, O. Diat, A. Dufresne, J. Y. Cavaillé, H. Chanzy, Langmuir 1999, 15, 6123-6126.
49. M. N. Anglès, A. Dufresne, Macromolecules 2000, 33, 8344-8353.
50. G. Siqueira, H. Abdillahi, J. Bras, A. Dufresne, Cellulose 2010, 17, 289-298.
51. M. C. Roco, C. A. Mirkin, M. C. Hersam, Nanotechnology Research Directions for Society Needs in 2020; WTEC Panel Report, Springer, Boston and Berlin, 2010.
52. A. Dufresne, Int. Polym. Proc. 2012, 27, 557-564.
53. V. Favier, H. Chanzy, J. Y. Cavaillé, Macromolecules 1995, 28, 6365-6367.
54. M. A. S. Azizi Samir, F. Alloin, J. Y. Sanchez, N. El Kissi, A. Dufresne, Macromolecules 2004, 37, 1386-1393.
55. O. Van den Berg, J. R. Capadona, C. Weder, Biomacromolecules 2007, 8, 1353-1357.
56. M. Schroers, A. Kokil, C. Weder, J. Appl. Polym. Sci. 2004, 93, 2883-2888.
57. G. Siqueira, J. Bras, A. Dufresne, Langmuir 2009, 26, 402-411.
58. L. Heux, G. Chauve, C. Bonini, Langmuir 2000, 16, 8210-8212.
59. I. Kvien, B. S. Tanem, K. Oksman, Biomacromolecules 2005, 6, 3160-3165.
60. J. F. Sassi, H. Chanzy, Cellulose 1995, 2, 111-127.
61. H. Yuan, Y. Nishiyama, M. Wada, S. Kuga, Biomacromolecules 2006, 7, 696-700.
62. N. Wang, E. Ding, R. Cheng, Front. Chem. Eng. China 2007, 1, 228-232.
63. S. Berlioz, S. Molina-Boisseau, Y. Nishiyama, L. Heux, Biomacromolecules 2009, 10, 2144-2151.
64. B. Braun, J. R. Dorgan, Biomacromolecules 2009, 10, 334-341.
65. M. J. Sobkowicz, B. Braun, J. R. Dorgan, Green Chem. 2009, 11, 680-682.
66. N. S. Çetin, P. Tingaut, N. Ozmen, N. Henry, D. Harper, M. Dadmun, G. Sebe, Macromol. Biosci. 2009, 9, 997-1003.
67. N. Lin, J. Huang, P. R. Chang, J. Feng, J. Yu, Carbohydr. Polym. 2011, 83, 1834-1842.
68. X. Yu, S. Tong, M. Ge, L. Wu, J. Zuo, C. Cao, W. Song, J. Environ. Sci. 2 013, 25, 933-943.
69. V. Khoshkava, M. R. Kamal, Biomacromolecules 2013, 14, 3155-3163.
70. M. Grunert, W. T. Winter, J. Polym. Environ. 2002, 10, 27-30.
71. M. Grunert, W. T. Winter, Polym. Mater. Sci. Eng. 2002, 86, 367-368.
72. C. Goussé, H. Chanzy, G. Excoffier, L. Soubeyrand, E. Fleury, Polymer 2002, 43, 2645-2651.
73. A. Pei, Q. Zhou, L. Berglund, Compos. Sci. Technol. 2010, 70, 815-821.
74. J. M. Raquez, Y. Murena, A. L. Goffin, Y. Habibi, B. Ruelle, F. DeBuyl, P. Dubois, Compos. Sci. Technol. 2012, 72, 544-549.
75. M. de Oliveira Taipina, M. M. Favaro Ferrarezi, I. V. Pagotto Yoshida, M. do Carmo Gonçalves, Cellulose 2013, 20, 217-226.
76. G. Siqueira, J. Bras, A. Dufresne, Biomacromolecules 2009, 10, 425-432.
77. N. Follain, S. Belbekhouche, J. Bras, G. Siqueira, S. Marais, A. Dufresne, J. Membr. Sci. 2013, 427, 218-229.
78. G. Siqueira, J. Bras, N. Follain, S. Belbekhouche, S. Marais, A. Dufresne, Carbohydr. Polym. 2013, 91, 711-717.
79. J. Araki, M. Wada, S. Kuga, Langmuir 2001, 17, 21-27.
80. E. Kloser, D. G. Gray, Langmuir 2010, 26, 13450-13456.
81. N. Lin, A. Dufresne, Macromolecules 2013, 46, 5570-5583.
82. F. Azzam, L. Heux, J. L. Putaux, B. Jean, Biomacromolecules 2010, 11, 3652-3659.
83. J. Yi, Q. Xu, X. Zhang, H. Zhang, Polymer 2008, 49, 4406-4412.
84. G. Morandi, L. Heath, W. Thielemans, Langmuir 2009, 25, 8280-8286.
85. S. Harrisson, G. L. Drisko, E. Malmström, A. Hult, K. L. Wooley, Biomacromolecules 2011, 12, 1214-1223.
86. Y. Habibi, A. Dufresne, Biomacromolecules 2008, 9, 1974-1980.
87. N. Lin, G. Chen, J. Huang, A. Dufresne, P. R. Chang, J. Appl. Polym. Sci. 2009, 113, 3417-3425.
88. J. O. Zoppe, M. S. Peresin, Y. Habibi, R. A. Venditti, O. J. Rojas, ACS Appl. Mater. Interfaces 2009, 1, 1996-2004.
89. A. L. Goffin, J. M. Raquez, E. Duquesne, G. Siqueira, Y. Habibi, A. Dufresne, Ph. Dubois, Polymer 2011, 52, 1532-1538.
90. Q. Xu, J. Yi, X. Zhang, H. Zhang, Eur. Polym. J. 2008, 44, 2830-2837.
91. J. Yi, Q. Xu, X. Zhang, H. Zhang, Cellulose 2009, 16, 989-997.
92. M. Martinez-Sanz, M. A. Abdelwahab, A. Lopez-Rubio, J. M. Lagaron, E. Chiellini, T. G. Williams, D. F. Wood, W. J. Orts, S. H. Imam, Eur. Polym. J. 2013, 49, 2062-2072.
93. J. Majoinen, A. Walther, J. R. McKee, E. Kontturi, V. Aseyev, J. M. Malho, J. Ruokolainen, O. Ikkala, Biomacromolecules 2011, 12, 2997-3006.
94. X. Cao, Y. Habibi, L. A. Lucia, J. Mater. Chem. 2009, 19, 7137-7145.
95. A. L. Goffin, J. M. Raquez, E. Duquesne, G. Siqueira, Y. Habibi, A. Dufresne, Ph. Dubois, Biomacromolecules 2011, 12, 2456-2465.
96. K. Ben Azouz, E. C. Ramires, W. Van den Fonteyne, N. El Kissi, A. Dufresne, ACS Macro Lett. 2012, 1, 236-240.
97. A. C. Corrêa, E. M. Teixeira, V. B. Carmona, K. B. R. Teodoro, C. Ribeiro, L. H. C. Mattoso, J. M. Marconcini, Cellulose 2014, 21, 311-322.
98. J. C. Halpin, J. L. Kardos, J. Appl. Phys. 1972, 43, 2235-2241.
99. J. Bras, D. Viet, C. Bruzzese, A. Dufresne, Carbohydr. Polym. 2011, 84, 211-215.
100. A. Dufresne,. J. Nanosci. Nanotechnol. 2006, 6, 322-330.
101. J. R. Capadona, K. Shanmuganathan, D. J. Tyler, S. J. Rowan, C. Weder, Science 2008, 319, 1370-1374.
102. J. Mendez, P. K. Annamalai, S. J. Eichhorn, R. Rusli, S. J. Rowan, E. J. Foster, C. Weder, Macromolecules 2011, 44, 6827-6835.
103. K. Shanmuganathan, J. R. Capadona, S. J. Rowan, C. Weder, Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 212-222.
104. K. Shanmuganathan, J. R. Capadona, S. J. Rowan, C. Weder, J. Mater. Chem. 2010, 20, 180-186.
105. K. Shanmuganathan, J. R. Capadona, S. J. Rowan, C. Weder, ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2, 165-174.
106. K. L. Dagnon, K. Shanmuganathan, C. Weder, S. J. Rowan, Macromolecules 2012, 45, 4707-4715.
107. R. H. Marchessault, F. F. Morehead, N. M. Walter, Nature 1959, 184, 632-633.
108. J. F. Revol, H. Bradford, J. Giasson, R. H. Marchessault, D. G. Gray, Int. J. Biol. Macromol. 1992, 14, 170-172.
109. J. F. Revol, L. Godbout, X. M. Dong, D. G. Gray, H. Chanzy, G. Maret, Liq. Cryst. 1994, 16, 127-134.
110. H. I. de Vries, Acta Crystallogr. 1951, 4, 219-226.
111. X. M. Dong, T. Kimura, J. F. Revol, D. G. Gray, Langmuir 1996, 12, 2076-2082.
112. X. M. Dong, D. G. Gray, Langmuir 1997, 13, 2404-2409.
113. S. Beck, J. Bouchard, R. Berry, Biomacromolecules 2011, 12, 167-172.
114. H. Althues, J. Henle, S. Kaskel, Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 1454-1465.
115. V. Landry, A. Alemdar, P. Blanchet, Forest Prod. J. 2011, 61, 104-112.
116. E. Espino-Pérez, J. Bras, V. Ducruet, A. Guinault, A. Dufresne, S. Domenek, Eur. Polym. J. 2013, 49, 3144-3154.
117. S. Boufi, H. Kaddami, A. Dufresne, Macromol. Mater. Eng., in press. Article first published online: 7 Oct 2013, DOI: 10.1002/mame.201300232.
118. C. Aulin, S. Ahola, P. Josefsson, T. Nishino, Y. Hirose, M. Österberg, L. Wågberg, Langmuir 2009, 25, 7675-7685.
119. S. Belbekhouche, J. Bras, G. Siqueira, C. Chappey, L. Lebrun, B. Khelifi, S. Marais, A. Dufresne, Carbohydr. Polym. 2011, 83, 1740-1748.
120. W. Thielemans, C. R. Warbey, D. A. Walsh, Green Chem. 2009, 11, 531-537.
121. H. Ma, C. Burger, B. S. Hsiao, B. Chu, Biomacromolecules 2011, 12, 970-976.
122. A. P. Mathew, A. Dufresne, Biomacromolecules 2002, 3, 609-617.
123. Y. Lu, L. Weng, X. Cao, Macromol. Biosci. 2005, 5, 1101-1107.
124. Y. Lu, L. Weng, X. Cao, Carbohydr. Polym. 2006, 63, 198-204.
125. X. Cao, Y. Chen, P. R. Chang, M. Stumborg, M. A. Huneault, J. Appl. Polym. Sci. 2008, 109, 3804-3810.
126. X. Cao, Y. Chen, P. R. Chang, A. D. Muir, G. Falk, eXPRESS Polym. Lett. 2008, 2, 502-510.
127. Y. Chen, C. Liu, P. R. Chang, X. Cao, D. P. Anderson, Carbohydr. Polym. 2009, 76, 607-615.
128. D. Liu, T. Zhong, P. R. Chang, K. Li, Q. Wu, Bioresource Technol. 2010, 101, 2529-2536.
129. E. M. Teixeira, D. Pasquini, A. A. S. Curvelo, E. Corradini, M. N. Belgacem, A. Dufresne, Carbohydr. Polym. 2009, 78, 422-431.
130. Y. Wang, X. Cao, L. Zhang, Macromol. Biosci. 2006, 6, 524-531.
131. Y. J. Choi, J. Simonsen, J. Nanosci. Nanotechnol. 2006, 6, 633-639.
132. M. D. Sanchez-Garcia, J. M. Laragon, Cellulose 2010, 17, 987-1004.
133. J. P. de Mesquita, C. L. Donnici, I. F. Teixeira, F. V. Pereira, Carbohydr. Polym. 2012, 90, 210-217.
134. N. L. Garcia, de Rodriguez, W., Thielemans, A., Dufresne, Cellulose 2006, 13, 261-270.
135. A. Bendahou, H. Kaddami, A. Dufresne, Eur. Polym. J. 2010, 46, 609-620.
136. J. Bras, M. L. Hassan, C. Bruzesse, E. A. Hassan, N. A. El-Wakil, A. Dufresne, Ind. Crops Prod. 2010, 32, 627-633.
137. L. Chazeau, J. Y. Cavaillé, G. R. Canova, R. Dendievel, B. Boutherin, J. Appl. Polym. Sci. 1999, 71, 1797-1808.
138. S. A. Paralikar, J. Simonsen, J. Lombardi, J. Membr. Sci. 2008, 320, 248-258.
139. H. M. C. Azeredo, K. W. E. Miranda, M. F. Rosa, D. M. Nascimento, M. R. de Moura, Food Sci. Technol. 2012, 46, 294-297.
140. H. M. C. Azeredo, L. H. C. Mattoso, D. Wood, T. G. Williams, R. J. Avena-Bustillos, T. H. McHugh, J. Food Sci. 2009, 74, N31-N35.
141. H. M. C. Azeredo, L. H. C. Mattoso, R. J. Avena-Bustillos, G. C. Filho, M. L. Munford, D. Wood, T. H. McHugh, J. Food Sci. 2010, 75, N1-N7.
142. R. A. Khan, S. Salmieri, D. Dussault, J. Uribe-Calderon, M. R. Kamal, A. Safrany, M. Lacroix, J. Agric. Food Chem. 2010, 58, 7878-7885.
143. A. Saxena, T. J. Elder, A. J. Ragauskas, Carbohydr. Polym. 2011, 84, 1371-1377.
144. R. A. Khan, S. beck, D. Dussault, S. Salmieri, J. Bouchard, M. Lacroix, J. Appl. Polym. Sci. 2013, 129, 3038-3046.
145. S. Noorani, J. Simonsen, S. Atre, Cellulose 2007, 14, 577-584.
146. A. Bendahou, H. Kaddami, E. Espuche, F. Gouanvé, A. Dufresne, Macromol. Mater. Eng. 2011, 296, 760-769.
147. N. Lin, A. Dufresne, Biomacromolecules 2013, 14, 871-880.
148. S. Berndt, F. Wesarg, C. Wiegand, D. Kralisch, F. A. Müller, Cellulose 2013, 20, 771-783.
149. L. H. Mattoso, E. S. Medeiros, D. A. Baker, J. Avloni, D. F. Wood, W. J. Orts, J., Nanosci. Nanotechnol. 2009, 9, 2917-2922.