酶解法與TEMPO氧化法制備納米纖維素膜的比較研究1

賈夢雨， 陳小泉*， 童 欣

（華南理工大學 制漿造紙國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

纖維素是世界上儲量最大的天然高分子，各國研究者正積極關(guān)注和探索如何在化工、造紙、食品、紡織等領(lǐng)域中對它進行高效和高值化利用[1-2]。納米纖維素由于高的拉伸強度、良好的生物相容性、高比表面積和低熱膨脹系數(shù)等特點而得到研究人員的青睞[3]；納米纖維素形成的膜因其高強度、高透明性、易降解等優(yōu)點，在復合材料增強、柔性屏幕基底、新型包裝材料和新型傳感器材料等方面具有很高的應用潛力[4-5]。TEMPO氧化結(jié)合高壓均質(zhì)是目前較成熟的一種制備納米纖維素的方法；酶水解法與之相比，反應條件溫和，能耗較低且沒有污染，作為一種綠色環(huán)保的納米纖維素制備方法也受到研究者們越來越多的關(guān)注。此外，不同形貌的NCC會有不同的特性，使其在應用方面會有所差別，因此對不同形貌納米纖維素的制備方法及性質(zhì)的研究具有重要意義。

本研究以桉木漿為原料，利用高濃度酶活（500 μ/mL）制備球形納米纖維素（NCC-H）粒子，低濃度酶活（10 μ/mL）制備棒狀納米纖維素（NCC-L）粒子，TEMPO氧化法制備納米纖維素纖維（NCF），并用三種納米纖維素原料真空抽濾成膜，比較不同納米纖維素的FT-IR、XRD及其膜的熱學性能、力學性能等，為后續(xù)進一步研究納米纖維素的應用提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 實驗

1.1 原料、試劑和儀器

原料：桉木漿，購自山東中紙人和制漿造紙有限公司。

試劑：纖維素酶和木聚糖酶，購自寧夏夏盛實業(yè)集團；TEMPO為化學純，購自Aladdin試劑有限公司；NaBr、NaCLO、NaOH和丙三醇均為分析純，購自廣州化學試劑廠。

儀器：恒溫水浴振蕩器（SHA-C，國產(chǎn)），高速離心機（TD5A-WS，國產(chǎn)），超聲波細胞破碎儀（DH92-IID，國產(chǎn)），精密pH計，電動攪拌器，納米微射流均質(zhì)機，循環(huán)水式真空泵（SHZ-D，國產(chǎn)），砂芯活動過濾裝置，真空干燥箱（DZF-6050，國產(chǎn)），傅里葉變換紅外光譜儀（NicoLet At360，美國），X-射線衍射分析儀（D8 ADVANCE ，Brμker AXS，德國），掃描電子顯微鏡（SEM-MerLin，Zeiss，德國），熱重分析儀（TA Q500，美國），紫外可見分光光度計（S-3150，國產(chǎn)），萬能材料試驗機（5565型，美國）。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米纖維素的制備

酶解法制備不同形貌的納米纖維素：取4 g絕干桉木漿（打漿度75°）置于1 L燒杯中，加入去離子水和丙三醇各200 mL，在恒溫水浴振蕩器中以35℃、150 r/min振蕩4小時以對纖維進行潤脹預處理[6]。反應結(jié)束5 000 r/min離心，棄去上清液后洗滌下沉淀中多余的丙三醇，重復3次。將潤脹洗滌好的桉木漿置于1 L燒杯中，加入400 mL一定濃度的復合酶溶液[7]，在恒溫水浴振蕩器中以50℃、150 r/min振蕩反應。當酶活和反應時間為500 μ/mL-5 h時得到球形NCC-H，當反應條件為10 μ/mL-12 h時得到棒狀NCC-L。90℃失活15 min結(jié)束反應。5 000 r/min離心15 min，棄去上清液后洗滌下沉淀中殘留的酶液和還原糖，重復上述步驟4次。最后取離心得到的較純凈的上清液，加入適量去離子水并在超聲細胞破碎機中超聲1 min，得到穩(wěn)定的NCC溶液。

TEMPO氧化法制備納米纖維素：取12 g絕干桉木漿（打漿度75°）置于2 L燒杯中，加入0.18 g TEMPO、1.2 g NaBr、50 mL NaClO，一定量的去離子水調(diào)節(jié)漿濃至1%。反應時用電動攪拌器以350 r/min持續(xù)攪拌，精密pH計監(jiān)測pH值，用0.5 moL/L的NaOH溶液控制反應體系pH始終在10.0左右，當至少超過10 min pH值的變化波動小于0.02，即表明氧化反應結(jié)束。用去離子水抽濾洗滌氧化漿4～5次并調(diào)節(jié)至0.5%漿濃，在納米微射流均質(zhì)機中以60 Bar壓力循環(huán)處理4次即得到穩(wěn)定的NCF溶液。

1.2.2 納米纖維素膜的制備

采用真空抽濾法制備納米纖維素膜：砂芯上放置一張0.22 μm孔徑的微孔濾膜，取一定量的納米纖維素溶液，用循環(huán)水式真空泵進行抽濾。待濾膜上的膠體失水濃縮成果凍狀的薄層時和濾膜一起取下，在薄層上蓋一層微孔濾膜，再上下各墊兩張普通濾紙，放入真空干燥箱后壓上玻璃板，50℃下干燥12 h。揭下濾紙后即得到透明的納米纖維素薄膜，將膜放在恒溫恒濕室（25±1℃，50%±2%相對濕度）中24 h平衡水分。

1.2.3 納米纖維素及其膜的表征

采用FT-IR對冷凍干燥的納米纖維素粉末進行表征，波長范圍400 nm～4000 nm；采用XRD對納米纖維素粉末進行表征，角度范圍2θ＝5°～45°；配制少量0.05%濃度的納米纖維素溶液，取1～2滴到干凈的云母片上，干燥后粘貼到導電樣品臺上并進行噴金處理，用掃描電子顯微鏡觀察納米纖維素的形貌；采用熱重分析儀對納米纖維素薄膜進行 TG分析，升溫速率 10℃/min，溫度范圍室溫～600℃，使用氮氣氛圍保護；將納米纖維素膜裁剪成4 cm×1 cm的矩形條，在恒溫恒濕室內(nèi)用萬能材料試驗機對納米纖維素膜進行機械性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維素膜形貌分析

圖1a是NCC-H及其膜的SEM圖片，制備該樣品酶濃度是500 μ/mL，從圖中可以清晰的看見球形納米纖維素粒子，直徑幾乎都在100 nm以下，通過它制備的納米纖維素膜，表面十分致密。圖1b是NCC-L和膜的SEM圖片，制備該樣品酶濃度是10 μ/mL，纖維大約在200～400 nm長度，直徑約在20～50 nm范圍。圖1c是TEMPO法制備的納米纖維素及其膜的SEM圖，可以看到纖維更加纖細，長度與NCC-L相近。酶解法制備的二種 NCC在形貌上差別較大，由于在相對高酶活條件下酶水解反應更加強烈，纖維素分子和酶分子的結(jié)合點數(shù)更多[8]，纖維素更易被水解成球形粒子NCC-H，但酶濃度過高或水解時間過長，纖維素將被徹底分解為還原糖而降低NCC得率，因此酶濃度500 μ/mL和酶解時間5 h為制備出NCC-H的較適宜條件；而在相對低酶濃度下（10 μ/mL），少量的酶分子只能作用無定形區(qū)并將其切斷，形成棒狀或條形納米纖維素。NCF是經(jīng)過均質(zhì)機的機械力作用制得，明顯產(chǎn)生了分絲帚化，其形貌更加類似于纖絲狀，直徑有一定程度下降。觀察三種膜的SEM圖可以發(fā)現(xiàn)，NCC-H膜的粒子之間是緊密的堆疊排布，NCC-L和NCF膜則基本是納米纖維素互相交織在一起。這些結(jié)構(gòu)的差異也就決定了它們性能的差異。

圖1 納米纖維素及其膜SEM圖

2.2 不同條件制備的納米纖維素FT-IR分析

酶解法和TEMPO法制備的納米纖維素以及原纖維的FT-IR圖譜如圖2所示，可以看到三種納米纖維素的曲線與原纖維的曲線形狀基本一致，由于制備方法的差異，得到的納米纖維素吸收峰強度和位置則有所差異，但制備的納米纖維素仍然具有纖維素的基本化學結(jié)構(gòu)。3000～3500 cm-1范圍出現(xiàn)的吸收峰是吸附水的O-H伸縮振動產(chǎn)生的，1638 cm-1附近的峰也是所含吸附水O-H引起的彎曲振動而產(chǎn)生[9]，可以看到TEMPO法制備的NCF在這兩處峰強度是最大的，表明其吸附水能力很強，NCC-H的在這兩處峰較弱，說明其更加容易干燥脫水，這可能會帶來不同方向的應用前景；2890 cm-1處的峰是C-H伸縮振動引起；1430 cm-1附近為-CH2的彎曲振動峰，該處譜帶強度與纖維素結(jié)晶度相關(guān)，紅外數(shù)據(jù)表明此處NCC-L的峰強度最大；1161 cm-1處為纖維素中環(huán)狀C-O-C的不對稱伸縮振動峰；1065 cm-1附近為纖維素中環(huán)狀C-O和C-H伸縮振動峰[10-11]；898 cm-1處的峰為纖維素中糖苷鍵伸縮振動引起[12]。

圖2 不同條件制備的納米纖維素FT-IR譜圖

圖3 不同條件制備的納米纖維素XRD譜圖

2.3 不同制備條件的納米纖維素XRD分析

圖3為不同條件下制備的納米纖維素和原纖維的X-射線衍射圖?？梢钥吹?，在2θ＝6°附近形成了強度較弱且寬的的衍射峰，在2θ＝22.5°左右出現(xiàn)了較強的尖銳衍射峰，在2θ＝34°附近還有一個較弱的衍射峰，這是典型的天然纖維素的Ⅰ型結(jié)構(gòu)[13-15]。相比于原纖維，峰出現(xiàn)的角度位置基本沒有變化，這表明在酶解過程和TEMPO氧化等不同的條件下，纖維素的晶型結(jié)構(gòu)都沒有被破壞，保留了天然纖維素的Ⅰ型結(jié)構(gòu)。其中，NCC-L曲線的峰強度最強，NCC-H曲線衍射峰強度要低于NCC-L的峰強度，可能的原因是：酶濃度過高導致的反應比較強烈，部分納米纖維素的結(jié)晶區(qū)有一定程度的破壞，而低濃度的酶液反應條件較溫和，主要水解作用于無定型區(qū)，結(jié)晶區(qū)基本保持了完整。TEMPO法的納米纖維素結(jié)晶區(qū)峰強度有一定下降，可能高壓均質(zhì)過程除了對無定形區(qū)有破壞以外，對纖維素的結(jié)晶區(qū)破壞比酶解過程更大，導致結(jié)晶度下降。

2.4 納米纖維素膜熱重分析

圖4反應了3種納米纖維素膜的熱重分析圖譜。從圖4a可以看到，由初始至260℃，NCC-H膜的TG曲線緩慢的小幅下降，DTG曲線比較平穩(wěn)基本沒有變化，表明NCC-H膜在此溫度范圍內(nèi)有較好的熱穩(wěn)定性；此后曲線迅速變化下降，至DTG曲線出現(xiàn)失重速率峰值，對應的溫度343.3℃即為膜的最高降解速率溫度。圖4b的TG曲線走勢與圖4a相似，從初始至255℃曲線緩慢下降，DTG曲線則保持平穩(wěn)；之后迅速下降，說明NCC-L膜的初始降解溫度為255℃，最高降解速率溫度為出現(xiàn)失重速率峰值的340.5℃。圖4c中TG曲線從205℃左右開始有了迅速變化，NCF膜的DTG曲線有兩個峰值，分別在243.7℃和302.4℃。

3種膜當中，酶解法制備的2種不同形貌的薄膜熱解溫度相差不大，初始降解溫度約相差5℃，最高降解速率溫度相差2.8℃；而以TEMPO氧化法制備的薄膜相比酶解法的初始分解溫度與解溫度均有不同程度的降低，可能的原因是TEMPO法制備過程中經(jīng)過了高壓均質(zhì)，使得纖維素表面外露的活性基團增加，并且TEMPO也能將C6位上的伯醇羥基氧化成為羧基，羧基的降解溫度較低，與酶解法相比，TEMPO法的機械處理結(jié)合氧化反應整體上降低了其膜的熱穩(wěn)定性[16-17]。

圖4 不同納米纖維素膜的熱重分析圖

2.5 納米纖維素膜機械性能分析

表1是不同納米纖維素抽濾制備的膜物理性能比較。從中可以看到， NCC-H得到的膜拉伸強度較低，30 μm和60 μm厚的膜拉伸強度為0.74 MPa和2.98 MPa。厚度的增加對于顆粒原料的NCC-H膜強度提升明顯，厚度增加1倍，膜拉伸強度提高了302.7%，這可能是因為，隨著厚度的增加，顆粒納米纖維素比較面積很大，聚集程度增大，氫鍵增加，提升了膜的強度。NCC-L所成膜的拉伸強度比NCC-H膜大幅提升，30 μm和60 μm厚的膜拉伸強度分別為22.61 MPa和36.67 MPa，可能是NCC-L膜內(nèi)部多是相對較長的纖維形成了物理交織，在強度上有一定的提升；但厚度對于膜強度的提升相比之前有所下降，厚度增加1倍，拉伸強度提高了62.2%。3種膜相同厚度的情況下，NCF膜強度最大，30 μm和60 μm厚度的膜拉伸強度為34.06 MPa和51.59 MPa，厚度提高1倍，拉伸強度提高了51.46%。

彈性模量反應了材料抵抗形變的能力，數(shù)值越大則材料的變形相對越小。NCC-H膜的彈性模量最低，而酶解法制備的NCC-L膜比TEMPO法制備的NCF膜彈性模量更高，30 μm厚度的高161.65%，60 μm厚度的高150.53%，說明酶解法NCC-L膜抗形變能力更強?？赡艿脑蚴前魻頝CC-L的直徑要大于纖維絲狀NCF的粒子直徑，因而具有有更大的剛性，更難以發(fā)生拉伸形變。

表1 不同膜的機械性能

3 結(jié)論

以桉木漿為原料，采用酶解法和TEMPO氧化法制備了三種不同形貌的納米纖維素及對應的膜。分析了納米纖維素的微觀形貌、FT-IR和XRD圖譜，測試了不同膜的熱學性能與力學性能。通過比較發(fā)現(xiàn)：

1）低濃酶活制備的棒狀NCC-L結(jié)晶度最高，高濃酶活的球形NCC-H次之，TEMPO氧化法對納米纖維素結(jié)晶區(qū)破壞最大。

2）酶解法制備的NCC薄膜的初始熱降解溫度在255℃至260℃，最高降解速率溫度分別為340.5℃和343.3℃，且都優(yōu)于TEMPO氧化法制備的NCF膜的初始分解溫度205℃和最高降解速率溫度243.7℃/302.4℃。酶解法制備的納米纖維素膜有更高的熱穩(wěn)定性。

3）機械性能測試表明，同等厚度下，NCF膜拉伸強度最大，但是NCC-L膜的彈性模量更高，表明有更好的抗形變能力。