劍麻纖維素納米晶須的制備和表征

劉錚　牛一群　周鶴

摘? 要：越來越多的人對(duì)可再生能源纖維素感興趣。該文提出了一種簡(jiǎn)單高效的方法利用酸解和透析制備劍麻纖維素納米晶須（SCNW）。采用傅里葉紅外光譜（FTIR）來表征SCNW的化學(xué)結(jié)構(gòu);場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）來表征SCNW的形貌和尺寸;熱重分析（TGA）測(cè)試來測(cè)試熱穩(wěn)定性。紅外分析證實(shí)SCNW的結(jié)構(gòu)與纖維素一致，其中半纖維素被除去。熱重分析得出SCNW的起始分解溫度是280℃，終止分解溫度是356℃，最后的殘?zhí)剂繛?0%，具有好的耐熱性能。通過掃描電鏡看出劍麻纖維素微晶的長(zhǎng)度為50?m，直徑為5～10μm，而SCNW的直徑為5～60nm，長(zhǎng)度為幾微米SCNW的尺寸要遠(yuǎn)小于劍麻纖維素微晶。SCNW在藥品、醫(yī)療、液體過濾等方面有很多潛在價(jià)值。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維素納米晶須? 制備? 表征? 過濾

中圖分類號(hào)：TQ341 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0060-03

Abstract： There is growing interest in cellulose nanowhiskers from renewable sources for several industrial applications. The structure of SCNW is characterized by Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）， the morphology of SCNW is observed using field emission scanning electron microscopy （FESEM）， and the thermal properties of SCNW is investigated by differential thermogravimetric analysis （DTG）. The FTIR study displays that the chemical structures of SCNW are consistent with those of cellulose， indicating the removal of most of hemicelluloses during the acid hydrolysis process. The DTG result suggests the initial decomposition temperature of SCNW is 280℃ and the terminal decomposition temperature is 356℃， the residual rate is 10% or so， indicating favorable thermal performance. The SEM results show that the sisal cellulose microcrystals exhibit an average length of 50 μm and a diameter of 5～10 μm， and SCNW displays a diameter of 5～60 nm and a length of several micrometers， revealing that the size of SCNW is much smaller than that of cellulose microcrystal. All above results illustrate that SCNW has a great promise for many potential applications.

Key Words： Cellulose nanowhisker; Fabrication; Characterization; Filtration

劍麻是一種我國(guó)特色的植物資源。劍麻纖維素納米晶須（SCNW）可通過劍麻纖維提取制備，具有高強(qiáng)度、低密度，是一種可再生、可生物降解和低碳環(huán)保的天然高分子納米材料[1]。纖維素納米晶須的形態(tài)類似針狀，具有一定的長(zhǎng)徑比（直徑大約為20～50nm，長(zhǎng)度大約為100～1000 nm）。劍麻廢棄纖維是劍麻工業(yè)的產(chǎn)物，絕大部分被燒掉或廢棄，造成植物資源的巨大浪費(fèi)[2，3]。

纖維素是從植物中提取的物質(zhì)，具有可降解可再生，低聚合度和大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)。纖維素廣泛用在食品、醫(yī)療和輕化工行業(yè)，因此纖維素的研究已成為熱點(diǎn)內(nèi)容[4]。目前很多文獻(xiàn)介紹纖維素納米晶須是由棉制造的，這樣成本會(huì)比較高。而用甘蔗渣和大豆片為原料制造纖維素納米晶須，由于原料本身的纖維素含量較低，因此纖維素納米晶須的產(chǎn)率較低[6]。該文采用劍麻為原料采用酸降解和透析的方法制備纖維素納米晶須的方法，利用加入SCNW制備的濾清器的無(wú)紡布進(jìn)行一些初步的探索，希望為劍麻纖維素在過濾、藥品、醫(yī)療等方面應(yīng)用提供參考。

濾清器中濾芯部分會(huì)使用無(wú)紡布材料，不同無(wú)紡布對(duì)濾芯的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生關(guān)鍵性的影響。過濾精度的評(píng)價(jià)是通過GB/T 18853-2015。通過多次試驗(yàn)?zāi)M無(wú)紡布在過濾時(shí)的過濾環(huán)境，同時(shí)在無(wú)紡布的上游和下游采樣，利用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終計(jì)算出過濾比。通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果過濾性能不穩(wěn)定，無(wú)論前期過濾比較低或者后期過濾比較低，這對(duì)濾清器的實(shí)際使用是不利的[7]。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料和主要試劑

劍麻纖維，蕪湖帆布廠;無(wú)水酒精、冰醋酸、氫氧化鈉、硫酸和硝酸，蚌埠瑞泰試劑公式;甲苯和四硼酸鈉無(wú)水酒精，阿拉丁，所有化學(xué)試劑都是分析純。

1.2 劍麻預(yù)處理

將劍麻纖維剪成10mm的短纖維，將短的劍麻纖維放進(jìn)甲苯與乙醇的比例為2∶1的混合溶液中浸泡。目的是為了去除劍麻纖維中的蠟狀物質(zhì)。將浸泡后的劍麻纖維素取出用酒精清洗干凈，后在烘箱中60℃烘干。

1.3 制備劍麻纖維素微晶

將預(yù)處理后的劍麻放進(jìn)混合溶液（250mL 0.1mol/L的NaoH和250mL的無(wú)水乙醇），50℃的條件下攪拌4h，取出后用去離子水清洗烘干。接著放入四硼酸鈉和碳酸鈉緩沖攪拌4h，過濾并清洗干凈烘干。再用80%乙酸和65%硝酸在120℃的條件下攪拌20min，過濾清洗烘干。

1.4 制備劍麻纖維素納米晶須

取制好的劍麻纖維素微晶6g加入90mL的65%的硫酸，50℃下攪拌3h。加入900mL的去離子水稀釋溶液。通過離心機(jī)將懸浮液中的產(chǎn)物離心到管底。將產(chǎn)物過濾清洗，利用透析將pH值調(diào)到7，冷凍干燥去除水分，就成功制備劍麻纖維素納米晶須。

1.5 制備含劍麻纖維素納米晶須無(wú)紡布

采用PET為原料經(jīng)高溫熔融、噴絲、鋪綱、熱壓卷取連續(xù)一步法生產(chǎn)。在原料中按不同比例加入表面處理后的SCNW，控制基體中SCNW的含量分別為1wt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%的無(wú)紡布。

2? 結(jié)果與討論

2.1 傅里葉紅外分析

紅外分析如圖1所示，3410cm-1處的峰代表SCNW中羥基（-OH）的特征峰。2900cm-1、1060cm-1分別代表SCNW的-CH2的伸縮振動(dòng)以及C-O的伸縮振動(dòng)。1120cm-1和1169cm-1分別代表纖維素分子環(huán)中的C-O伸縮振動(dòng)以及C-C鏈的伸縮振動(dòng)。1641cm-1處的峰代表殘余水的彎曲振動(dòng)峰。以上特征峰表明，SCNW的結(jié)構(gòu)類似于纖維素。

2.2 DTG分析

SCNW的熱重曲線如圖2所示。在100℃左右，材料的失重比較微弱，主要是由于SCNW表面吸附的水分子的揮發(fā)。SCNW的起始分解溫度是280℃，終止分解溫度是356℃，最后的殘?zhí)剂繛?0%。起始分解分度要高于由菠蘿葉子制備的納米纖維素晶須，說明SCNW有著較好的熱穩(wěn)定性。

2.3 形貌分析

通過FESEM圖（見圖3）可以看出，SCNW的尺寸要遠(yuǎn)小于劍麻纖維素微晶，劍麻纖維素微晶的長(zhǎng)度為50?m，直徑為5～10?m，而SCNW的直徑為5～60nm，長(zhǎng)度為幾微米。這說明了SCNW的成功制備。

2.4 不同SCNW的含量對(duì)無(wú)紡布過濾性能的影響

從表1可以看出，隨著SCNW含量的增加，過濾比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是有可能在SCNW含量為3%時(shí)無(wú)紡布的力學(xué)性能最好，抵抗油液沖擊能力越強(qiáng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過酸解的方法SCNW成功制備。SCNW的結(jié)構(gòu)與纖維素一致，其中半纖維素被除去。SCNW的起始分解溫度是280℃，終止分解溫度是356℃，最后的殘?zhí)剂繛?0%，具有好的耐熱性能。劍麻纖維素微晶的長(zhǎng)度為50?m，直徑為5～10?m，而SCNW的直徑為5～60nm，長(zhǎng)度為幾微米SCNW的尺寸要遠(yuǎn)小于劍麻纖維素微晶。對(duì)SCNW在過濾方面潛在價(jià)值做了初步探討。

參考文獻(xiàn)

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