基于機(jī)械力化學(xué)作用制備熒光納米纖維素

張松華，熊明誠(chéng)，王梓，林鳳采，王婷，林詠梅，黃彪

（1福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建福州350108；2廣西民族大學(xué)廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530006）

納米纖維素（纖維素納米晶體、CNCs 或纖維素納米纖維，CNF）的優(yōu)異性能使其在食品包裝[1]、醫(yī)藥[2]、紡織[3]及復(fù)合材料[4]制備等方面展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。但纖維素具有很高的極性，其改性受限于有限的溶劑選擇，所以納米纖維素的改性[5]一般在特定的溶劑下進(jìn)行，如三氟乙酸（CF3COOH）、氯化鋰/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAC）、離子液體等[6]，這些溶劑的價(jià)格昂貴且處理成本高，并對(duì)環(huán)境有一定的負(fù)面影響。因此，尋找一條綠色、安全、經(jīng)濟(jì)的納米纖維素改性途徑一直以來(lái)都是納米纖維素利用領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題[7]。

檸檬酸和L-半胱氨酸都是參與生物體新陳代謝的小分子物質(zhì)[8]，它們?cè)诟邷叵峦ㄟ^(guò)多次脫水反應(yīng)產(chǎn)生具有熒光的共軛化合物5-氧代-3,5-二氫-2H-噻唑并[3,2-a]吡啶-3,7-二羧酸（TPDCA）[9]，其表現(xiàn)出高量子產(chǎn)率、良好的生物相容性和相對(duì)低的成本。磷鎢酸是催化纖維素水解反應(yīng)的綠色環(huán)保的固體雜多酸催化劑[10]，Liu 等[11]以磷鎢酸為水解纖維原料，但水解過(guò)程中磷鎢酸的用量較大，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)效率較低。本文作者課題組[12]采用機(jī)械力化學(xué)法磷鎢酸催化水解，高得率地制備了納米纖維素。本研究以磷鎢酸作為催化劑[10,13]，使竹漿纖維素在機(jī)械力化學(xué)作用下形成CNC，然后在一定溶解度的檸檬酸和半胱氨酸作用下同步發(fā)生酯化反應(yīng)，一步得到熒光納米纖維素F-CNC，反應(yīng)過(guò)程主要是通過(guò)磷鎢酸-檸檬酸共同作用使纖維素分子中在無(wú)定形區(qū)降解，進(jìn)一步催化檸檬酸與半胱氨酸反應(yīng)的產(chǎn)物TPDCA 與納米纖維素表面C6位上的伯羥基發(fā)生酯化反應(yīng)生成了F-CNC（圖1）。反應(yīng)過(guò)程中水是唯一溶劑，可降低對(duì)環(huán)境負(fù)面影響。該制備方法具有簡(jiǎn)易可行、綠色環(huán)保、酸可回收的優(yōu)點(diǎn)，為納米纖維素功能化的制備提供了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

竹漿纖維（α-纖維素含量≥94%），購(gòu)于福建省南平造紙廠；L-半胱氨酸，分析純，購(gòu)于阿拉丁試劑（上海）有限公司，磷鎢酸、檸檬酸，均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 F-CNC的制備

將竹漿纖維經(jīng)過(guò)高速粉碎機(jī)粉碎，烘干備用，稱取2g 竹漿纖維置于瑪瑙球磨罐中，加入2.4g 磷鎢酸和16g 的檸檬酸和40mL 蒸餾水，在600r/min的轉(zhuǎn)速下球磨2h。球磨結(jié)束后將樣品轉(zhuǎn)移到燒瓶中加入半胱氨酸恒溫反應(yīng)一定時(shí)間，半胱氨酸的濃度為0.5～1.5mol/L，反應(yīng)溫度取80～160℃，反應(yīng)時(shí)間取4～12h。分別考察半胱氨酸濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)所制備的熒光納米纖維素F-CNC的得率和熒光強(qiáng)度的影響，確定較佳的反應(yīng)條件，反應(yīng)結(jié)束后，超聲分散120min，通過(guò)高速離心（9000r/min，10min）去除檸檬酸、半胱氨酸和水的混合物。多次高速離心后，降低離心速率（5000 r/min，5min），收集上層乳白色懸浮液即熒光納米纖維素F-CNC 懸浮液。將該懸浮液經(jīng)透析至水無(wú)熒光（在紫外-可見吸收光譜光下無(wú)熒光性質(zhì)特征峰），冷凍干燥后得到F-CNC粉末。CNC的制備是在球磨結(jié)束后90℃反應(yīng)一段時(shí)間，加入去離子水，超聲分散60min，離心收集得到CNC。

1.3 F-CNC得率的計(jì)算

F-CNC 均勻分散，測(cè)出其總體積，用移液管吸取30mL 于稱量瓶中，在105℃烘箱中烘干至恒重。F-CNC的得率Y按照式(1)計(jì)算。

圖1 F-CNC制備示意圖

式中，m1為干燥后樣品與稱量瓶的總質(zhì)量，g；m2為稱量瓶的質(zhì)量，g；m3為竹漿纖維素原料的質(zhì)量，g；V為F-CNC懸浮液的總體積，mL。

1.4 樣品表征

用場(chǎng)發(fā)射透射電鏡（TEM）對(duì)制備的熒光納米纖維素的形態(tài)和尺寸進(jìn)行分析，樣品溶液先在超聲儀中超聲30min，然后滴加樣品于碳網(wǎng)上，并用濾紙吸干存在于載網(wǎng)上的F-CNC液滴，用2%的磷鎢酸水溶液對(duì)其進(jìn)行染色，干燥后觀察。采用VERTEX 70 型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品的官能團(tuán)進(jìn)行表征分析：稱取冷凍干燥后的樣品4mg和400mg KBr進(jìn)行混合，研磨充分后，采用壓片法進(jìn)行測(cè)試，掃描的范圍為4000～400cm-1，室溫下進(jìn)行測(cè)試。采用13C CP/MAS NMR 對(duì)F-CNC 的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用X-ray光電子能譜對(duì)CNC粉末、F-CNC 粉末進(jìn)行表面分析。采用X 射線粉末衍射儀（XRD）對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征：先將樣品制成粉末狀放置于干凈的樣品架上，設(shè)置分析參數(shù)條件，特征射線用CoKα，Ni 片濾波，電壓為85kV，2θ的范圍為6°～90°，在無(wú)干擾環(huán)境下進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)紫外-可見（UV-vis）吸收光譜和熒光光譜研究了F-CNC 的光學(xué)性質(zhì)。采用英國(guó)愛丁堡FLs980 全功能型穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀和日本島津公司UVmini-1240型紫外分光光度計(jì)來(lái)研究樣品的熒光性能。采用德國(guó)NETZSCH STA449F3型熱分析儀，在N2氣氛、升溫速率為10℃/min 的條件下對(duì)CNC、F-CNC 在30～600℃范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)F-CNC 的得率和熒光強(qiáng)度的影響

取1g 竹漿纖維素，在磷鎢酸-檸檬酸體系下，球磨時(shí)間為2h，1mol/L 半胱氨酸、反應(yīng)時(shí)間8h 的條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)F-CNC 的得率和熒光強(qiáng)度的影響（圖2）。由圖2 可知，在80～140℃時(shí)，隨著反應(yīng)溫度升高，CNF的熒光強(qiáng)度增大，隨著溫度的升高，有利于酯化反應(yīng)的正向進(jìn)行，CNC 與TPDCA 接枝率增加，140℃時(shí)，F(xiàn)-CNC 的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大；超過(guò)140℃后，隨著反應(yīng)溫度升高，F(xiàn)CNC 的熒光強(qiáng)度降低。這是因?yàn)闇囟冗^(guò)高，增加了其他副反應(yīng)生成的可能性，從而影響了CNC 的接枝率[15]。隨著溫度的升高，F(xiàn)-CNC 的得率增加，120℃達(dá)到最大值（58.6%），超過(guò)120℃F-CNC 的得率下降，這可能是由于溫度過(guò)高，纖維素水解程度過(guò)高，過(guò)度降解生成葡萄糖，導(dǎo)致得率下降，生成的F-CNC減少。

2.1.2 半胱氨酸濃度對(duì)F-CNC 的得率和熒光強(qiáng)度的影響

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)F-CNC的得率和熒光強(qiáng)度的影響

圖3 半胱氨酸濃度對(duì)F-CNC的得率和熒光強(qiáng)度的影響

取1g竹漿纖維素，反應(yīng)溫度為140℃、反應(yīng)時(shí)間為8h 的條件下，考察半胱氨酸濃度對(duì)F-CNC 的得率和熒光強(qiáng)度的影響見圖3。由圖3 可知，在0.25～1.25mol 檸檬酸和檸檬酸鈉時(shí)，對(duì)F-CNC 的得率變化影響不大，表明纖維素的水解跟半胱氨酸的溶解度無(wú)關(guān)。隨著檸檬酸和檸檬酸鈉濃度升高，F(xiàn)-CNC 的熒光強(qiáng)度增大，表明當(dāng)檸檬酸濃度一定時(shí)，隨著半胱氨酸濃度增加，兩者形成TPDCA 增加，其與CNC 接枝率也增加。且當(dāng)半胱氨酸濃度大于1.0mol/L時(shí)，其熒光強(qiáng)度增加不明顯。表明此時(shí)半胱氨酸與檸檬酸反應(yīng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，且半胱氨酸溶度大于1.0mol/l，產(chǎn)物顏色變深。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)F-CNC 的得率和熒光強(qiáng)度的影響

取1g竹漿纖維素，1.0mol/L半胱氨酸、反應(yīng)溫度140℃的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)F-CNC的得率和熒光強(qiáng)度的影響（圖4）。由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，F(xiàn)-CNC 的得率增加，6h 時(shí)得率取得最大值（57.4%），超過(guò)6h 后纖維素的得率下降，這可能是由于在較高溫度下反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，纖維素過(guò)度水解產(chǎn)生葡萄糖，導(dǎo)致得率下降，且超過(guò)8h 后所制備的F-CNC的顏色加深。在4～8h時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，F(xiàn)-CNC 的熒光強(qiáng)度增大，8h 時(shí)，F(xiàn)-CNC 的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大；超過(guò)8h 后，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，F(xiàn)-CNC 的熒光強(qiáng)度降低。這是由于反應(yīng)未達(dá)到平衡時(shí)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間提高了TPDCA的產(chǎn)生以及與CNC 的接枝率，但隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，水解和氧化等副反應(yīng)產(chǎn)生，CNC 的接枝率隨之降低。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)于F-CNC的得率和熒光強(qiáng)度的影響

2.2 光學(xué)性能分析

當(dāng)光照射到某些原子時(shí)，使原子核周圍的一些電子從原來(lái)的軌道躍遷到能量更高的軌道，即從基態(tài)到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，恢復(fù)到基態(tài)時(shí)能量以光的形式釋放產(chǎn)生了熒光。圖5 為CNC、TPDCA、F-CNC 水溶液的紫外-可見光吸收光譜，由圖5 可知，CNC 沒有出現(xiàn)特征吸收峰，TPDCA、F-CNC溶液在220nm 有很強(qiáng)的吸收峰是由于π→π*躍遷。在355nm 左右有很寬的吸收峰，是源于共軛的TPDCA 的n→π*躍遷造成的[9,14]，表明TPDCA 成功接枝到CNC 表面。圖6 是F-CNC 溶液在室溫下用不同的激發(fā)波長(zhǎng)（300～400nm，間隔20nm）下的熒光光譜。由圖6可知，300～360nm范圍內(nèi)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加，熒光強(qiáng)度逐漸增加，380nm后熒光強(qiáng)度開始逐漸減弱。F-CNC 在360nm 激發(fā)下顯示出最大發(fā)射，并且最大發(fā)射波長(zhǎng)保持在435nm 附近。表明所制備的F-CNC 表現(xiàn)出與激發(fā)無(wú)關(guān)的發(fā)射行為，即最大發(fā)射峰不隨激發(fā)波長(zhǎng)變化，與TPDCA顯示的現(xiàn)象相同[9]。

圖5 CNC、TPDCA、F-CNC的紫外-可見光吸收光譜

圖6 不同激發(fā)波長(zhǎng)下F-CNC的發(fā)射和光譜

2.3 熒光壽命和量子產(chǎn)率

圖7 為F-CNC 的熒光壽命曲線，如圖所示，F(xiàn)-CNC 的熒光壽命曲線具有雙指數(shù)衰減動(dòng)力學(xué)特征，符合二次擬合公式，如式(2)[15]。

式中，R為熒光強(qiáng)度；B1、B2為常數(shù)，分別為395.77、118.43；t 為時(shí)間；τ1、τ2為各指數(shù)成分壽命，分別為0.915、4.984。

通過(guò)式(3)可以算出F-CNC 的平均壽命τ*為3.44ns。通過(guò)積分球測(cè)定的絕對(duì)量子產(chǎn)率為34.24%。

圖7 F-CNC的熒光壽命曲線

2.4 微觀形貌分析

如CNC、F-CNC的TEM圖（圖8）所示，經(jīng)過(guò)機(jī)械力化學(xué)法以及磷鎢酸-檸檬酸水解反應(yīng)后，CNC、F-CNC 主要呈現(xiàn)出棒狀，CNC 直徑25～50nm，長(zhǎng)度200～400nm。F-CNC 直徑20～40nm，長(zhǎng)度150～300nm。表明機(jī)械力化學(xué)法有效地使竹漿纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[17-18]，導(dǎo)致纖維素分子鏈斷裂而形成CNC，且在后續(xù)反應(yīng)中，纖維素進(jìn)一步水解和酯化，制備出了直徑更小的F-CNC。

圖8 CNC和F-CNC的透射電鏡圖

2.5 紅外光譜分析（FTIR）

圖9 竹漿纖維、CNC和F-CNC的紅外光譜圖

2.6 固體13C CP-MAS NMR分析

圖10為CNC和F-CNC的CP-MAS13C核磁共振譜圖。由圖10可知，CNC 在δ104.3、87.8、74.2及64.8處出現(xiàn)了特征吸收峰，分別對(duì)應(yīng)纖維素的C1，C4，C2、3、5 以及C6 的共振吸收峰[27]。與CNC的13C NMR譜圖相比，F(xiàn)-CNC的譜圖中出現(xiàn)了CNC的特征吸收峰，表明F-CNC 保留了纖維素的基本骨架。且在δ35～50、97、114.1、140～165出現(xiàn)新的共振吸收峰，屬于檸檬酸碳原子以及形成TPDCA上吡啶酮的碳原子共振吸收峰[24,27]，說(shuō)明TPDCA基團(tuán)成功接枝到CNC表面。

2.7 XPS分析

圖10 CNC、F-CNC的CP-MAS核磁共振譜圖

圖11 CNC、F-CNC的XPS分析

2.8 晶體結(jié)構(gòu)

采用X射線粉末衍射儀對(duì)納米纖維素的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)晶度的計(jì)算采用Segal 等提出的經(jīng)驗(yàn)結(jié)晶指數(shù)（CI）計(jì)算，這是一種通過(guò)X射線衍射譜圖快速判斷結(jié)晶度大小的方法[20]，如式(3)。

式中，I002為（002）晶面的衍射強(qiáng)度；Iam為無(wú)定形區(qū)的衍射強(qiáng)度。

圖12 為竹漿纖維、CNC 和F-CNC 的XRD 譜圖?？梢悦黠@看到CNC 和F-CNC 均在2θ 為15°、16.5°、22.7°、34.8°出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，對(duì)應(yīng)（110）、（110）、（200）、（004）晶面，為纖維素Ⅰ型[24]。按照式(3)可得竹漿纖維素的結(jié)晶度為71.6%，而CNC的結(jié)晶度為75.3%，F(xiàn)-CNC 的結(jié)晶度為75.1%，說(shuō)明在酯化反應(yīng)過(guò)程中，CNC 非結(jié)晶區(qū)水解與酯化同步進(jìn)行。同時(shí)也表明了反應(yīng)過(guò)程中F-CNC 的晶體結(jié)構(gòu)未被破壞，結(jié)晶區(qū)得以保留[24]，形成分子排列規(guī)則的晶體，有利于拓寬功能化納米纖維的應(yīng)用。

圖12 竹漿纖維、CNC和F-CNC的XRD光譜圖

2.9 熱分析

圖13 為竹漿纖維、CNC、F-CNC 的熱重分析譜圖。由圖13可知，竹漿纖維原料、CNC、F-CNC在30～120℃的質(zhì)量損失來(lái)源于纖維表面吸收的水分的揮發(fā)，在300～380℃階段，TG 曲線迅速下降是因?yàn)槔w維素大分子鏈斷裂，逐步開始熱分解。竹漿纖維原料的起始熱分解溫度為334℃，在334～371℃之間質(zhì)量損失最大，熱分解速率最大溫度為356℃。CNC 的起始熱分解溫度為337℃，在337～380℃之間質(zhì)量損失最大，熱分解速率最大溫度為362℃。F-CNC 的起始熱分解溫度為283℃，在283～369℃之間質(zhì)量損失最大，熱分解速率最大溫度為354℃。結(jié)果表明，制備的CNC熱穩(wěn)定性略微有所增加，可能是在機(jī)械力化學(xué)作用下去除了無(wú)定形區(qū)和排列無(wú)序的晶體，使纖維素分子內(nèi)晶體排列規(guī)整[26]，以及在磷鎢酸-檸檬酸水解下一小部分纖維表面羧基化造成的。F-CNC 的熱穩(wěn)定性下降和酯化過(guò)程中表面TPDCA的引入有關(guān)。

圖13 竹漿纖維、CNC和F-CNC的TG譜圖和DTG譜圖

3 結(jié)論

基于機(jī)械力化學(xué)作用，以磷鎢酸-檸檬酸為催化劑，半胱氨酸為改性劑，采用一鍋法制備了熒光納米纖維素（F-CNC），使纖維素?zé)o定形區(qū)降解與羥基酯化反應(yīng)同步進(jìn)行，避免了中間產(chǎn)物的分離，減少了常規(guī)方法的繁瑣步驟。反應(yīng)過(guò)程中水是唯一溶劑，降低了后續(xù)處理的成本，綠色環(huán)保。F-CNC具有熒光性質(zhì)以及纖維素本身的生物相容性，在防偽、UV 屏蔽、生物醫(yī)藥示蹤標(biāo)記等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。