Published February 1, 2024 | Version v1
Publication Open

Response surface methodology for optimization of nitrocellulose preparation from nata de coco bacterial cellulose for propellant formulation

Creators

  • 1. National Defence University of Malaysia

Description

Nitrocellulose (NC) has garnered significant interest among researchers due to its versatile applications, contingent upon the degree of nitration that modifies the cellulose structure. For instance, NC with a high nitrogen content, exceeding 12.5%, finds utility as a key ingredient in propellant formulations, while variants with lower nitrogen content prove suitable for a range of other applications, including the formulation of printing inks, varnishes, and coatings. This communication aims to present the outcomes of our efforts to optimize the nitration reaction of bacterial cellulose to produce high-nitrogen-content NC, employing the response surface methodology (RSM). Our investigation delves into the influence of the mole ratio of sulfuric and nitric acids, reaction temperature, and nitration duration on the nitrogen content of the resultant products. Utilizing a central composite design (CCD), we identified the optimal conditions for NC synthesis. Analysis of variance (ANOVA) underscored the substantial impact of these reaction conditions on the percentage of nitrogen content (%N) yield. By implementing the predicted optimal conditions-namely, a H2SO4:HNO3 mole ratio of 3:1, a reaction temperature of 35 °C, and a reaction period of 22 min-we successfully produced NC with a nitrogen content of 12.64%. Characterization of these products encompassed elemental analysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), thermal gravimetric analysis (TGA), and field emission scanning electron microscopy (FESEM).

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

اكتسب النيتروسليلوز (NC) اهتمامًا كبيرًا بين الباحثين بسبب تطبيقاته متعددة الاستخدامات، اعتمادًا على درجة النترات التي تعدل بنية السليلوز. على سبيل المثال، تجد NC ذات المحتوى العالي من النيتروجين، الذي يتجاوز 12.5 ٪، فائدة كمكون رئيسي في تركيبات الوقود الدافع، في حين أن المتغيرات ذات المحتوى المنخفض من النيتروجين تثبت أنها مناسبة لمجموعة من التطبيقات الأخرى، بما في ذلك صياغة أحبار الطباعة والورنيش والطلاء. يهدف هذا الاتصال إلى تقديم نتائج جهودنا لتحسين تفاعل النترات للسليلوز البكتيري لإنتاج محتوى عالٍ من النيتروجين NC، باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM). يتعمق تحقيقنا في تأثير نسبة المول من أحماض الكبريتيك والنيتريك، ودرجة حرارة التفاعل، ومدة النترة على محتوى النيتروجين في المنتجات الناتجة. باستخدام تصميم مركب مركزي (CCD)، حددنا الظروف المثلى لتوليف NC. أكد تحليل التباين (ANOVA) التأثير الكبير لظروف التفاعل هذه على النسبة المئوية لمحتوى النيتروجين (٪N). من خلال تنفيذ الظروف المثلى المتوقعة - أي نسبة مول H2SO4: HNO3 من 3:1، ودرجة حرارة تفاعل 35 درجة مئوية، وفترة تفاعل 22 دقيقة - أنتجنا NC بنجاح بمحتوى نيتروجين 12.64 ٪. اشتمل توصيف هذه المنتجات على التحليل العنصري، والتحليل الطيفي لتحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والحيود بالأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري لقياس الجاذبية (TGA)، والمجهر الإلكتروني لمسح الانبعاثات الميدانية (FESEM).

Translated Description (French)

La nitrocellulose (NC) a suscité un intérêt considérable parmi les chercheurs en raison de ses applications polyvalentes, en fonction du degré de nitration qui modifie la structure de la cellulose. Par exemple, la NC à forte teneur en azote, supérieure à 12,5 %, trouve son utilité en tant qu'ingrédient clé dans les formulations propulsives, tandis que les variantes à faible teneur en azote s'avèrent appropriées pour une gamme d'autres applications, y compris la formulation d'encres d'impression, de vernis et de revêtements. Cette communication vise à présenter les résultats de nos efforts pour optimiser la réaction de nitration de la cellulose bactérienne pour produire une NC à forte teneur en azote, en utilisant la méthodologie de la surface de réponse (RSM). Notre étude se penche sur l'influence du rapport molaire des acides sulfurique et nitrique, de la température de réaction et de la durée de nitration sur la teneur en azote des produits résultants. En utilisant une conception composite centrale (CCD), nous avons identifié les conditions optimales pour la synthèse CN. L'analyse de la variance (ANOVA) a souligné l'impact substantiel de ces conditions réactionnelles sur le pourcentage de rendement de la teneur en azote (%N). En mettant en œuvre les conditions optimales prévues, à savoir un rapport molaire H2SO4 :HNO3 de 3:1, une température de réaction de 35 °C et une période de réaction de 22 min, nous avons réussi à produire du NC avec une teneur en azote de 12,64 %. La caractérisation de ces produits comprenait l'analyse élémentaire, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF), la diffraction des rayons X (DRX), l'analyse gravimétrique thermique (ATG) et la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FESEM).

Translated Description (Spanish)

La nitrocelulosa (NC) ha despertado un gran interés entre los investigadores debido a sus aplicaciones versátiles, dependiendo del grado de nitración que modifica la estructura de la celulosa. Por ejemplo, el NC con un alto contenido de nitrógeno, superior al 12,5%, encuentra utilidad como ingrediente clave en las formulaciones de propelentes, mientras que las variantes con menor contenido de nitrógeno resultan adecuadas para una gama de otras aplicaciones, incluida la formulación de tintas de impresión, barnices y recubrimientos. Esta comunicación tiene como objetivo presentar los resultados de nuestros esfuerzos para optimizar la reacción de nitración de la celulosa bacteriana para producir NC de alto contenido de nitrógeno, empleando la metodología de superficie de respuesta (RSM). Nuestra investigación profundiza en la influencia de la relación molar de los ácidos sulfúrico y nítrico, la temperatura de reacción y la duración de la nitración en el contenido de nitrógeno de los productos resultantes. Utilizando un diseño compuesto central (CCD), identificamos las condiciones óptimas para la síntesis de NC. El análisis de varianza (ANOVA) subrayó el impacto sustancial de estas condiciones de reacción en el porcentaje de rendimiento de contenido de nitrógeno (%N). Al implementar las condiciones óptimas predichas, es decir, una relación molar de H2SO4:HNO3 de 3:1, una temperatura de reacción de 35 °C y un período de reacción de 22 min, produjimos con éxito NC con un contenido de nitrógeno del 12,64%. La caracterización de estos productos abarcó el análisis elemental, la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la difracción de rayos X (XRD), el análisis gravimétrico térmico (TGA) y la microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM).

Files

pdf.pdf

Files (16.0 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a585376dcf97a5c197648ccca5987711
16.0 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
منهجية سطح الاستجابة لتحسين تحضير النيتروسليلوز من ناتا دي كوكو السليلوز البكتيري لتركيبة الوقود
Translated title (French)
Méthodologie de surface de réponse pour l'optimisation de la préparation de nitrocellulose à partir de cellulose bactérienne nata de coco pour la formulation de propulseur
Translated title (Spanish)
Metodología de superficie de respuesta para la optimización de la preparación de nitrocelulosa a partir de celulosa bacteriana nata de coco para la formulación de propulsores

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4391760870
DOI
10.1016/j.heliyon.2024.e25993

Is supplement to
https://openalex.org/W3005845661 (Other)
https://openalex.org/W2996662501 (Other)
https://openalex.org/W2950065350 (Other)
https://openalex.org/W2388515790 (Other)
https://openalex.org/W2379948255 (Other)
https://openalex.org/W2355190204 (Other)
https://openalex.org/W2317398368 (Other)
https://openalex.org/W2075730005 (Other)
https://openalex.org/W2064107355 (Other)
https://openalex.org/W2001435591 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Malaysia

References

  • https://openalex.org/W1970791940
  • https://openalex.org/W1979969040
  • https://openalex.org/W1996132916
  • https://openalex.org/W2028652333
  • https://openalex.org/W2030767679
  • https://openalex.org/W2041852341
  • https://openalex.org/W2045312664
  • https://openalex.org/W2056034872
  • https://openalex.org/W2103439254
  • https://openalex.org/W2120022216
  • https://openalex.org/W2607657657
  • https://openalex.org/W2626437716
  • https://openalex.org/W2766277118
  • https://openalex.org/W2883230074
  • https://openalex.org/W2892512581
  • https://openalex.org/W2922938919
  • https://openalex.org/W2968961225
  • https://openalex.org/W2987910210
  • https://openalex.org/W2988070465
  • https://openalex.org/W2990804492
  • https://openalex.org/W3005275226
  • https://openalex.org/W3026398075
  • https://openalex.org/W3026478671
  • https://openalex.org/W3036072016
  • https://openalex.org/W3046106187
  • https://openalex.org/W3121846446
  • https://openalex.org/W3130040492
  • https://openalex.org/W3148939299
  • https://openalex.org/W3180870944
  • https://openalex.org/W3194985005
  • https://openalex.org/W3196690475
  • https://openalex.org/W3209554582
  • https://openalex.org/W4210940970
  • https://openalex.org/W4223543986
  • https://openalex.org/W4232411978
  • https://openalex.org/W4285147670
  • https://openalex.org/W5908806