纖維素納米晶體制備工藝優(yōu)化的研究

段 敏, 林 濤, 殷學(xué)風(fēng), 李 靜

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院;輕化工程國家級試驗教學(xué)示范中心;陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安 710021)

纖維素是地球上現(xiàn)存的天然高分子資源中最豐富、最廉價的生物質(zhì)資源，它具有許多高分子聚合物無法比擬的優(yōu)勢，例如生物可降解性和可再生性等。開發(fā)以纖維素為原料的新型精細(xì)化學(xué)品替代不可再生資源，是21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展化學(xué)工程研究領(lǐng)域的重要課題之一[1-2]。纖維素里分布著納米級的晶體和無定型的纖維素，這些晶體和無定型的纖維素依靠其分子內(nèi)和分子間氫鍵以及弱的范德華力維持著自組裝大分子結(jié)構(gòu)和原纖形態(tài)[3-4]。利用特殊工藝去掉無定型的纖維素就可以得到納米級的纖維素晶體，通常稱之為纖維素納米晶體(CNC)。由纖維素制備得到的CNC具有高純度、高結(jié)晶度和高楊氏模量等特性，此外納米尺度效應(yīng)還使其具有優(yōu)越的力學(xué)性能以及超分子效應(yīng)，同時結(jié)合其可降解和生物相容性好的特點使其在制備高性能復(fù)合材料、組織工程、生物分子傳感器、生物學(xué)礦化模板等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注[5]。硫酸水解法是一種發(fā)現(xiàn)較早且研究較為成熟的纖維素納米晶體制備方法。該方法一般使用濃硫酸溶液在較高溫度下對纖維原料進(jìn)行較長時間的處理，然后經(jīng)過離心、透析等步驟，最后得到穩(wěn)定的纖維素納米晶體懸浮液。唐麗榮等[6]研究了超聲波輔助濃硫酸水解微晶纖維素制備纖維素納米晶體的工藝條件及其性能表征，研究結(jié)果表明酸水解后得到的纖維素納米晶體呈短棒狀，直徑約2～24 nm，長度在50～450 nm之間，并且纖維素納米晶體保持了微晶纖維素原有的纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)。王海英等[7]研究了硫酸水解桉木漿制備纖維素納米晶體的工藝條件，并用透射電鏡表征了桉木漿纖維素納米晶體的表面形貌，結(jié)果表明纖維素納米晶體呈棒狀，其長度小于1 000 nm。黎國康等[8]用硫酸水解棉短絨得到了纖維素納米晶體I(CNC-I)，經(jīng)過FT-IR和GPC等表征發(fā)現(xiàn)，CNC-I具有低的分子量、窄的分子量分布及比較高的化學(xué)活性。以上研究都采用的是常規(guī)酸水解方法，但是在實際操作中，常規(guī)的酸水解方法存在反應(yīng)物水解不完全、水解進(jìn)行程度不高以及后處理困難的問題，這大大限制了纖維素納米晶體的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。本研究將硫酸水解微晶纖維素制備纖維素納米晶體的過程進(jìn)行了優(yōu)化。在水解前將原料在酸液中室溫預(yù)浸漬一段時間，可以有效地將原料潤脹，這將有利于打開藥液通道，使得反應(yīng)進(jìn)行程度更高，可以觀察到水解后懸浮液下層未水解完全的沉淀物很少。另外，由于酸解后體系酸性很強(qiáng)，體系表現(xiàn)的比較黏稠，如果不進(jìn)行“除酸”處理直接去離心，那么離心兩次就會因為纖維素納米晶體無限溶脹而無法離心出來。因此在本研究中，在離心前先對水解液進(jìn)行“除酸”處理(將水解后的懸浮液靜置、沉淀、倒去上層酸液并反復(fù)用置換液洗滌，置換體系中的酸液，使體系pH值升高)，以期離心操作可以順利、高效進(jìn)行，達(dá)到減少離心次數(shù)、節(jié)約能耗的目的。基于這樣的制備過程優(yōu)化，采用單因素試驗和正交試驗對影響纖維素納米晶體得率和粒徑大小的3個主要因素(硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水解溫度和水解時間)進(jìn)行工藝條件優(yōu)化，并揭示了硫酸水解制備纖維素納米晶體的機(jī)理，以期可以快速、高效地制備得到纖維素納米晶體，為今后纖維素納米晶體的開發(fā)應(yīng)用及深入研究提供參考。

1 實 驗

1.1 原料、試劑與儀器

微晶纖維素(MCC)，購于上海昌為醫(yī)藥輔料技術(shù)有限公司；98%濃硫酸、無水乙醇，均為分析純。

Zeta-sizer NANO-ZS90馬爾文納米激光粒度分析儀，英國Malvern公司；S4800掃描電子顯微鏡(SEM)，日本理學(xué)公司；AFM 5100原子力顯微鏡(AFM)，美國Agilent公司；D8 Advance X射線衍射儀(XRD)，德國布魯克公司。

1.2 纖維素納米晶體(CNC)的制備

取蒸餾水將98%的濃硫酸稀釋到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將稀釋后的87.5 mL硫酸小心加入到錐形瓶中，稱取5 g MCC白色粉末緩慢加入至錐形瓶中攪拌均勻，使MCC在濃硫酸中室溫潤脹30 min。然后，將混合液置于一定溫度的恒溫水浴鍋中攪拌反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束加入大量蒸餾水稀釋，終止反應(yīng)。將混合液靜置過夜，倒去上層酸液，然后用無水乙醇作為置換液，反復(fù)洗滌置換體系中的酸液，使體系酸度降低，最終pH值大于3。用離心機(jī)將此懸浮液高速離心，直至懸浮液上層呈渾濁的水溶膠狀態(tài)，收集該膠體溶液裝入透析袋內(nèi)，以去離子水為透析液，透析至CNC膠體水溶液pH值接近中性，然后用超聲波清洗器在200 W的功率下超聲分散10 min，就可以得到穩(wěn)定的CNC膠體水溶液。再經(jīng)真空冷凍干燥可以得到粉末狀CNC。

1.3 分析與表征

1.3.1纖維素納米晶體(CNC)得率的測定 量取20 mL CNC膠體水溶液裝入已稱量過的稱量瓶中，在105 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量，取出稱量瓶放在干燥器中冷卻30 min，然后在分析天平上稱質(zhì)量。得率計算如式(1)所示[9]：

(1)

式中：y—纖維素納米晶體得率，%；m1—烘干后稱量瓶和樣品的總質(zhì)量，g；m2—稱量瓶的質(zhì)量，g；m3—原料的質(zhì)量，g；V1—纖維素納米晶體的總體積，mL；V2—用于測定得率所取的纖維素納米晶體懸浮液的體積，mL。

1.3.2粒徑和Zeta電位值的測定 馬爾文納米激光粒度儀可以用來測定不同形狀納米粒子的粒徑及溶液的Zeta電位值，它是一種表征納米粒子粒徑大小及懸浮液穩(wěn)定性的重要手段。其工作原理是溶液中不同尺寸、不同形狀的粒子其布朗運動速度不一樣，運動速度的差異會導(dǎo)致其對入射光的強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度干擾，從而可以通過檢測散射光強(qiáng)度的變化，使用已經(jīng)建立的理論擬合實驗數(shù)據(jù)得到粒子的等效粒徑[10]。需要指出的是，馬爾文納米激光粒度儀的測量模型最適合球形納米粒子。對于CNC這種非球形納米粒子，軟件會將其模擬成球形，給出等效粒徑。因此，對于同一種樣品，由馬爾文納米激光粒度儀給出的粒徑結(jié)果之間可以橫向比較，但是納米粒子的真實尺寸、形狀還需要配合其他檢測方法進(jìn)行測定。將分散良好的0.1%的CNC膠體水溶液裝入樣品池中，用馬爾文納米激光粒度儀測定其粒徑大小(以馬爾文納米激光粒度儀給出的等效粒徑代表樣品粒徑)和Zeta電位值。每個樣品測試3次，取算術(shù)平均值。

1.3.3結(jié)晶度測定 將CNC膠體水溶液冷凍干燥成粉末并安裝在樣品架上，用X射線衍射儀在衍射角2θ=5°～50°的范圍內(nèi)，以6°/min的掃描速度進(jìn)行測定，并采用Segal法[11]，如公式(2)計算其結(jié)晶度：

(2)

式中：ICr—結(jié)晶度，%；Ic—結(jié)晶區(qū)最大衍射強(qiáng)度；Ia—衍射角2θ=18°時的無定型區(qū)衍射強(qiáng)度。

1.3.4形貌表征 采用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對CNC的表面形貌特征進(jìn)行分析表征。

1.3.5正交試驗設(shè)計 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間為考察因素，以CNC的得率為指標(biāo)，進(jìn)行L9(34)正交試驗，確定酸水解制備CNC的最佳條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸水解機(jī)理分析

天然植物纖維素中存在著結(jié)晶區(qū)和無定型區(qū)(如圖1所示)。

圖1 硫酸水解制備CNC機(jī)理圖

在無定形區(qū)內(nèi)纖維素排列較為松散，進(jìn)行水解反應(yīng)時酸液較容易侵入；但是結(jié)晶區(qū)的纖維素排列緊密且規(guī)整，酸液很難進(jìn)入纖維內(nèi)部起作用，所以水解反應(yīng)大多發(fā)生在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)表面。當(dāng)水解反應(yīng)進(jìn)行時，酸液首先作用于無定型區(qū)削弱纖維素之間的氫鍵連接，然后進(jìn)一步破壞、打斷無定形區(qū)纖維素之間的連接，致使纖維素分子間氫鍵大為減弱的同時增強(qiáng)了纖維素表面的可及度，所以在酸解時硫酸可以快速滲透到結(jié)晶區(qū)表面進(jìn)行均相水解打斷原纖維長鏈，形成纖維素納米晶體[12]。同時，由于是使用硫酸水解纖維素制備CNC，硫酸的磺酸基團(tuán)與纖維素鏈上的部分羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，生成硫酸酯，在降低了纖維素之間氫鍵強(qiáng)度的同時也讓CNC表面帶上了負(fù)電荷，使得CNC的水分散體穩(wěn)定性增強(qiáng)。最后經(jīng)過超聲分散，可以得到穩(wěn)定存在的CNC膠體水溶液。

2.2 單因素試驗

2.2.1硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在反應(yīng)溫度45 ℃，反應(yīng)時間90 min的條件下，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維素納米晶體(CNC)得率及粒徑大小的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，CNC的得率先增加后下降，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%時CNC的得率最高，為24.6%；CNC的平均粒徑隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高逐漸減小。這是因為在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，體系中的氫離子濃度較小，水解程度較低，很難將纖維細(xì)化到納米級別。但隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，水解反應(yīng)進(jìn)行程度不斷增大，更多的纖維素分子之間糖苷鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生納米級的纖維素，所以CNC的得率逐漸增大，粒徑逐漸減小。但是，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的話，纖維素會發(fā)生進(jìn)一步水解，纖維素主要降解為葡萄糖，同時生成更小粒徑的纖維素納米晶體，CNC得率降低，水解液顏色加深[13]。較小粒徑的CNC由于巨大的表面能很容易絮聚形成大顆粒，因此在反應(yīng)較為激烈時，CNC的粒徑反而會略微增大。在64%的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)下進(jìn)行水解反應(yīng)，CNC得率最高且粒徑最小(204.8 nm)，綜合考慮粒徑和得率，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%為最佳。

2.2.2反應(yīng)溫度 在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%，反應(yīng)時間90 min的條件下，考察反應(yīng)溫度對纖維素納米晶體(CNC)得率及粒徑大小的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖2硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CNC得率和粒徑的影響

Fig.2EffectofsulfuricacidmassfractiononCNCyieldandparticlesize

圖3反應(yīng)溫度對CNC得率和粒徑的影響

Fig.3EffectofreactiontemperatureonCNCyieldandparticlesize

由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度增加，CNC得率先增加后減小，反應(yīng)溫度45 ℃時CNC的得率最高，為24.6%；隨著反應(yīng)溫度的提高，CNC的平均粒徑逐漸減小。這是因為高的反應(yīng)溫度可以促進(jìn)纖維素分子鏈上糖苷鍵的斷裂，纖維素聚合度下降，纖維素被細(xì)化到納米級別。然而，過高的反應(yīng)溫度會促使纖維素進(jìn)一步水解甚至炭化，產(chǎn)生更多的水溶性物質(zhì)，如葡萄糖等[3]，所以CNC的得率先增加后降低，而粒徑逐漸減小。在45 ℃的反應(yīng)溫度下，CNC得率最高且粒徑較小(204.8 nm)，綜合考慮粒徑和得率，反應(yīng)溫度45 ℃為最佳。

2.2.3反應(yīng)時間 在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%，反應(yīng)溫度45 ℃的條件下，考察反應(yīng)時間對纖維素納米晶體(CNC)得率及粒徑大小的影響，結(jié)果如圖4所示。

粒徑particle size; 得率yield 圖4 反應(yīng)時間對CNC得率和粒徑的影響 Fig. 4 Effect of reaction time on CNC yield and particle size

由圖4可知，隨著反應(yīng)時間的增加，CNC的得率先增大后減小，反應(yīng)90 min時CNC的得率最高，為24.6%；CNC的平均粒徑隨著反應(yīng)時間的增加呈先減小后略微增大的趨勢。這是因為纖維素在水解時，隨著反應(yīng)時間的延長，水解反應(yīng)進(jìn)行程度不斷增大，越來越多的纖維素被水解到納米級，因此在一定反應(yīng)時間內(nèi)CNC得率逐漸增大而粒徑逐漸減小。但是，當(dāng)反應(yīng)超過90 min后，纖維素在硫酸溶液中會發(fā)生均相水解反應(yīng)，纖維素進(jìn)一步降解為葡萄糖，同時產(chǎn)生更小尺寸的CNC，因此CNC的得率有所降低。這些小尺寸的CNC很容易絮聚形成大的團(tuán)聚體，因此如果繼續(xù)反應(yīng)，CNC的粒徑會略微變大。在90 min的反應(yīng)時間下，CNC得率最高且粒徑較小(204.8 nm)，綜合考慮粒徑和得率，反應(yīng)時間90 min為最佳。

2.3 正交試驗結(jié)果與分析

為了優(yōu)化試驗參數(shù)，根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，以CNC的得率為考核指標(biāo)，采用正交試驗來研究硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對纖維素納米晶體(CNC)制備的影響，以確定最佳的制備工藝條件。正交試驗結(jié)果及直觀分析見表1。

表1 正交試驗結(jié)果及直觀分析

由極差分析結(jié)果可以看出，3個因素影響得率的主次關(guān)系是C>A>B，即硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時間，最佳條件組合為A2B2C2，即反應(yīng)溫度為45 ℃、反應(yīng)時間為90 min、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%。為了進(jìn)一步檢驗3個指標(biāo)的顯著性程度，因此對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見表2。

表2 方差分析表

1)*代表差異性顯著* represents significant difference

查臨界值F0.05(2,2)=19.0，所以對于給定顯著水平α=0.05，因素A、B、C對實驗結(jié)果都有顯著的影響。由于試驗指標(biāo)是纖維素納米晶體的得率，是望大指標(biāo)，所以在不考慮交互作用的情況下，優(yōu)方案應(yīng)取各因素最大k值所對應(yīng)的水平，為A2B2C2，即反應(yīng)溫度45 ℃、反應(yīng)時間90 min、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%,與直觀分析結(jié)果一致。在上述工藝條件下進(jìn)行驗證實驗，得到CNC的得率為24.6%。

2.4 CNC形貌觀察

圖5是在最佳制備工藝條件(硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%、反應(yīng)溫度45 ℃、反應(yīng)時間90 min)下所得CNC膠體水溶液的照片和SEM圖。從圖5(a)中可以看到，CNC的水懸浮液呈一種穩(wěn)定的淡藍(lán)色膠體狀態(tài)，并且有非常明顯的“丁達(dá)爾通路”，說明其中CNC粒子已達(dá)到納米級別。當(dāng)懸浮液Zeta電位值的絕對值大于30 mV時，就可以說明此懸浮液很穩(wěn)定[14]。經(jīng)測定CNC膠體水溶液的Zeta電位值為-39.8 mV，并且在室溫下放置60天也觀察不到明顯的絮聚體，說明CNC膠體水溶液的穩(wěn)定性很好。從圖5(b)中可以清晰地看到，CNC呈十分規(guī)整的短棒狀，直徑約10～20 nm，長度在150～300 nm之間，尺寸均勻性較好。在SEM圖中可以觀察到，CNC納米棒緊密的纏結(jié)在一起，形成了類似“膜”一樣的結(jié)構(gòu)。這是因為用于SEM觀察的CNC是經(jīng)過冷凍干燥的，而CNC水懸浮液經(jīng)過冷凍干燥后得到的是類似于蒲公英的絮狀纖維，雖然冷凍干燥可以避免CNC在溶劑揮發(fā)中的熱聚集，但是還是會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的物理纏結(jié)現(xiàn)象。圖6是纖維素納米晶體的原子力顯微鏡圖。從圖中可以觀察到CNC納米棒之間有粘連和堆疊的現(xiàn)象，這是納米粒子特有的團(tuán)聚現(xiàn)象，主要是因為CNC粒徑很小，比表面積很大，使得CNC納米棒之間受到的范德華力更為明顯，另外CNC表面裸露的羥基也容易形成氫鍵，這都是導(dǎo)致發(fā)生團(tuán)聚的原因[15]。

圖5纖維素納米晶體(a)實物圖和(b)掃描電子顯微鏡圖

Fig.5Photograph(a)andSEMimage(b)ofCNC

圖6纖維素納米晶體的原子力顯微鏡圖

Fig.6AFMimageofcellulosenanocrystals

對比圖5(b)和圖6中CNC納米棒的直徑可以發(fā)現(xiàn)，用AFM觀察到的樣品直徑比SEM成像尺寸大，這主要是因為AFM探針對樣品表面的影響，在AFM制樣中使用的是質(zhì)地較硬的云母片或者硅片，而纖維素質(zhì)地柔軟，在探針敲擊的過程中樣品會因為輕微擠壓呈現(xiàn)出展寬偽影，導(dǎo)致觀察到的CNC尺寸略大。

2.5 CNC的晶型結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度

圖7 MCC和CNC的X射線衍射圖譜 Fig. 7 X-ray diffraction patterns of MCC and CNC

3 結(jié) 論

3.1以微晶纖維素(MCC)為原料，采用濃硫酸催化水解制備纖維素納米晶體(CNC)，通過單因素試驗和正交試驗分析，表明影響CNC制備的3個主要因素硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間都對CNC得率有顯著性影響，影響重要程度為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時間。最佳的制備工藝條件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)64%、反應(yīng)溫度45 ℃、反應(yīng)時間90 min，在此工藝條件下制備的CNC得率為24.6%，粒徑為204.8 nm。

3.2纖維素納米晶體水懸浮液呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定的淡藍(lán)色膠體狀態(tài)，其Zeta電位值為-39.8 mV，說明CNC膠體水溶液穩(wěn)定性很好。由SEM和AFM圖可以看到，硫酸水解制備的CNC呈短棒狀，直徑約10～20 nm，長度在150～300 nm之間。另外發(fā)現(xiàn)，干燥后的CNC納米棒之間出現(xiàn)嚴(yán)重的粘連和堆疊現(xiàn)象，這是納米粒子特有的團(tuán)聚現(xiàn)象。

3.3通過XRD結(jié)果分析可見，水解前后纖維素的晶型結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生改變，都是天然纖維素I型，并且CNC的結(jié)晶度由原料的72.7%增大到了80.2%。