DES/TEMPO法制備納米纖維素及其性能研究

李佩燚， 雷鎬哲， 簡博星， 劉瑞巖， 周苗苗， 劉鶴震

(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(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著不可再生石油資源的枯竭，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，開發(fā)高價(jià)值的生物可持續(xù)資源迫在眉睫[1].纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，是自然界中最豐富、分布最廣的生物資源[2].納米纖維素(CNF)是通過物理或化學(xué)方法或兩種方法的組合制備的直徑小于100 nm的材料.目前，制備納米纖維素最常用的方法是化學(xué)法與物理法相結(jié)合.納米纖維素具有優(yōu)異的強(qiáng)度、高楊氏模量、生物相容性等，可參與大量納米材料的制造，包括基于聚合物、金屬、金屬氧化物和碳材料[3,4].

近年來，由于農(nóng)業(yè)廢棄物原料易得，而且產(chǎn)量巨大，大部分被焚燒處理等不利于環(huán)境的保護(hù).如何將農(nóng)業(yè)廢棄物作為原料制備納米纖維素從而實(shí)現(xiàn)其高價(jià)值利用是一個(gè)非常必要的問題.豆渣是一種營養(yǎng)豐富的生物質(zhì)資源，其主要成分包括膳食纖維(60%～70%)、蛋白質(zhì)(13%～20%)、脂肪(6%～19%)、木質(zhì)素(≈1%)和灰分(3.5%～5%)[5,6].本課題組前期研究成果表明，通過草酸-氯化膽堿低共熔溶劑(DES)體系，處理豆渣可以有效去除蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)，并且可以一步成功地提取纖維素[7].使用過的DES可有效回收再利用，顯著降低生產(chǎn)成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)[8].該方法省去了一系列的脫脂、脫色、脫木素和漂白工序，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本.

TEMPO是2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基，可以選擇性地將纖維素表面C-6位的羥基氧化為羧基[9].該方法克服了纖維素纖維之間的強(qiáng)氫鍵，促進(jìn)了纖維的分離[10]，并且由于纖維素的結(jié)晶度高，需要使用超聲波機(jī)械處理將微米級(jí)纖維素纖維斷裂成納米纖維[11].TEMPO氧化法以木材為原料制備CNF的傳統(tǒng)方法是先將原料進(jìn)行蒸煮漂白制備木漿，然后使用TEMPO氧化結(jié)合機(jī)械處理制備CNF[12,13].此過程產(chǎn)生大量化工廢液且需要大量能量，不符合當(dāng)前綠色制造理念和環(huán)保要求.以豆渣為原料制備CNF，與木質(zhì)原料相比，豆渣中木質(zhì)素含量低，不需要傳統(tǒng)的蒸煮工藝，只需要去除脂肪和蛋白質(zhì)，因而可簡化納米纖維素的制備流程.

為了進(jìn)一步提高納米纖維素的性能，本文以DES預(yù)處理豆渣，然后使用TEMPO/NaBr/NaClO氧化體系結(jié)合超聲處理制備豆渣CNF并成功引入羧基，對(duì)比了DES預(yù)處理后的納米纖維素(DCF)和TEMPO氧化后的納米纖維素(TOCN)的結(jié)構(gòu).本文為納米纖維素的制備提供了一種綠色高效方法，亦為納米纖維素的發(fā)展提供了新思路.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 主要原料

豆渣來自黑龍江某豆?jié){廠，脫水后閃蒸干燥，組分為α-纖維素62.91%、半纖維素7.73%、蛋白質(zhì)15.62%、脂肪5.88%、灰分3.21%；2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)(97%)，購自畢得醫(yī)藥有限公司；次氯酸鈉、溴化鈉、氯化膽堿、草酸、氫氧化鈉和乙醇，均為分析級(jí)，購自天津大茂化學(xué)試劑廠.

1.1.2 主要儀器

FD-1B-50冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康儀器有限公司；D/max2200PC型X射線衍射儀，日本Rigaku公司；Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀，德國布魯克Bruker公司；S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；JY92-IIDN細(xì)胞粉碎機(jī)，寧波新芝生物科技有限公司；DHR-1流變儀，美國TA公司；Cary100紫外-可見分光光度計(jì)，美國安捷倫公司.

1.2 低共熔溶劑提取豆渣纖維素

通過在100 mL圓底燒瓶中以1∶1的摩爾比混合氯化膽堿和草酸來合成低共熔溶劑，反應(yīng)在80 ℃恒溫、連續(xù)磁力攪拌下進(jìn)行，直至溶液澄清透明，豆渣和DES在錐形瓶中以1∶20的比例混合，反應(yīng)在100 ℃下進(jìn)行30 min，攪拌速度為40 r/min.在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，使用反相溶劑-蒸餾水來沉淀纖維素.固體基質(zhì)用蒸餾水洗滌直至濾液變?yōu)橹行?使用蒸餾水將收集的纖維素制成0.5%濃度的懸浮液.

1.3 豆渣納米纖維素的制備

豆渣的TEMPO氧化反應(yīng)主要根據(jù)Saito等[14,15]所述方法進(jìn)行，首先稱取0.025 g TEMPO和0.25 g NaBr溶于500 mL去離子水中；將豆渣纖維素分散在溶液中，攪拌下緩慢加入指定量的NaClO溶液；然后用稀NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，使其保持在10.0～10.2范圍內(nèi)；達(dá)到規(guī)定反應(yīng)時(shí)間后，向體系中加入乙醇10 mL終止反應(yīng)，用去離子水充分過濾，將氧化產(chǎn)物洗至中性；收集布氏漏斗中不溶于水的部分，平衡水分后測定水分含量，將所得的纖維素分散于去離子水中(0.5%)，使用JY92-IIDN細(xì)胞粉碎機(jī)(800W)超聲處理15 min，得到納米纖維素，4 ℃保存?zhèn)溆?

1.4 TOCN的羧基含量與得率測定

氧化纖維素含量按TAPPI T237標(biāo)準(zhǔn)測定，取適量氧化纖維素，用0.1 mol/L鹽酸溶液處理120 min，控制纖維素濃度在1%，再用去離子水洗滌至中性，準(zhǔn)確稱取纖維素濕漿餅(精確至0.1 g)放入立式錐形瓶中；然后在錐形瓶中依次快速加入0.01 mol/L NaHCO3溶液25 mL和0.1 mol/L NaCl溶液25 mL，反應(yīng)60 min后抽濾；取25 mL過濾，加1～2滴甲基紅指示劑，再用0.01 mol/L鹽酸溶液滴定.用公式(1)計(jì)算羧基含量(meq/100 g):

(1)

式(1)中：A為滴定25 mL濾液時(shí)的鹽酸溶液量，mL；B為滴定NaHCO3-NaCl溶液時(shí)鹽酸溶液的量，mL；C為纖維素濕漿餅中水的質(zhì)量，g；N為滴定所用鹽酸溶液的實(shí)際濃度，mol/L；W為樣品的絕對(duì)干重，g.

將制備的納米纖維素密封保存于4 ℃低溫下稱重，取樣進(jìn)行水分測定.根據(jù)式(2)計(jì)算納米纖維素的產(chǎn)率Y.

(W2-W1)*100%

(2)

式(2)中：Y為納米纖維素收率，%；W1為氧化前纖維素的絕對(duì)干重，g；W2為氧化后纖維素的絕對(duì)干重g.

1.5 豆渣納米纖維素氧化前后理化性質(zhì)分析

1.5.1 微觀形貌分析

采用S-4800型掃描電子顯微鏡，觀察TEMPO氧化前后纖維的表觀形貌，樣品經(jīng)冷凍干燥后進(jìn)行表面噴金，使用 Nano Measurer 軟件(復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，上海，中國)分析纖維的直徑.

1.5.2 FT-IR分析

采用KBr壓片法制備試樣，掃描參數(shù)為:掃描范圍4 000～400 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次.

1.5.3 XRD分析

通過X射線衍射儀對(duì)不同處理下豆渣纖維素的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，測量范圍為10 °～50 °，掃描速度為0.016 °/s，計(jì)算樣品的結(jié)晶度.

1.5.4 流變性能分析

使用流變儀研究在增加的剪切速率下的流變行為，使用具有0.5 mm測試間隙的25 mm不銹鋼平行板幾何形狀.在測試之前，將樣品調(diào)節(jié)至25 ℃，然后在0.1到100 s-1的范圍內(nèi)進(jìn)行粘度測量，剪切速率在300 s內(nèi)線性上升.

1.5.5 透光率分析

使用紫外-可見分光光度計(jì)測試不同CNF懸浮液的透射率，所有CNF懸浮液的濃度均為0.5%，以去離子水為參考背景掃描，將樣品加入石英比色皿中進(jìn)行透射掃描，掃描速度為300 nm/min，測試波長為500～1 020 nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同反應(yīng)條件對(duì)TOCN羧基含量和得率的影響

2.1.1 NaClO用量對(duì)纖維素得率和羧基含量的影響

在反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，探討了不同NaClO用量對(duì)纖維素羧基含量和得率的影響，其結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，隨著NaClO用量的增加，纖維素的羧基含量不斷增加，且NaClO的用量與纖維素的羧基含量呈線性關(guān)系.當(dāng)NaClO用量從3 mmol/g纖維素增加到7 mmol/g纖維素時(shí)，纖維素的羧基含量從0.846 mmol/g纖維素增加到1.723 mmol/g纖維素.其原因是氧化反應(yīng)過程中NaClO用量的增加，使反應(yīng)體系中氧化劑的濃度增加，有利于促進(jìn)氧化反應(yīng)向前進(jìn)行，氧化反應(yīng)程度增加，提高反應(yīng)效率，使羧基含量不斷增加.同時(shí)，隨著NaClO用量的增加，纖維素的產(chǎn)率下降.分析表明，產(chǎn)率下降的原因之一可能是隨著NaClO用量的增加，纖維素在氧化過程中降解；另一個(gè)原因可能是非纖維素成分(包括半纖維素、木質(zhì)素等)在氧化過程中降解.

圖1 不同NaClO用量對(duì)TOCN得率和羧基含量的影響

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)纖維素得率和羧基含量的影響

在反應(yīng)溫度為30 ℃、NaClO的量為7 mmol/g纖維素的條件下，探究不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)纖維素羧基含量和得率的影響，其結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，纖維素的羧基含量總體呈上升趨勢(shì)，但是上升幅度有所變化，造成這種現(xiàn)象的原因可能是:在氧化反應(yīng)過程中，反應(yīng)液需要一定的時(shí)間通過滲透進(jìn)入纖維素.反應(yīng)時(shí)間過短，會(huì)造成反應(yīng)液滲透不均，導(dǎo)致纖維素氧化程度降低，纖維素的羧基含量緩慢增加；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，更多的反應(yīng)液滲透進(jìn)入纖維素，與其充分接觸，促進(jìn)了氧化反應(yīng)，提高了氧化程度，使纖維素的羧基含量大大增加.隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長，反應(yīng)體系中氧化劑的濃度不斷降低，可用于氧化反應(yīng)的氧化劑含量不斷降低，限制了氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生.

從圖2還可以看出，反應(yīng)時(shí)間為1～2 h時(shí)纖維素得率下降緩慢，從91.4%下降到90.53%，反應(yīng)時(shí)間為3～5 h時(shí)，得率下降很大，從86.73%下降到78.28%.出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是:反應(yīng)時(shí)間為1～2 h時(shí)，反應(yīng)主要發(fā)生在纖維素的無定形區(qū)，隨著處理時(shí)間的延長，氧化劑會(huì)滲入纖維素的結(jié)晶區(qū)，從而對(duì)結(jié)晶區(qū)造成一定程度的破壞，結(jié)晶區(qū)的纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形纖維素，降解溶出，最終導(dǎo)致氧化產(chǎn)物得率顯著下降.

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)TOCN得率和羧基含量的影響

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)纖維素得率和羧基含量的影響

在反應(yīng)時(shí)間為2 h，NaClO的量為7 mmol/g纖維素的條件下，探索了不同反應(yīng)溫度對(duì)纖維素羧基含量和得率的影響，其結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同反應(yīng)溫度對(duì)TOCN得率和羧基含量的影響

從圖3可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，纖維素的羧基含量先升高后降低.這可能是由于:當(dāng)氧化溫度為20 ℃時(shí)，由于在該溫度下氧化比較溫和，當(dāng)氧化溫度升高時(shí)，反應(yīng)體系中的NaClO分子受熱劇烈運(yùn)動(dòng)，降低了分子間作用力，促進(jìn)NaClO液體滲透到纖維中，有利于氧化反應(yīng)，因此羧基含量會(huì)增加.當(dāng)反應(yīng)溫度升至40 ℃～60 ℃時(shí)，纖維素的破壞作用增強(qiáng)，使結(jié)晶區(qū)較多的纖維素被破壞變成無定形纖維素；同時(shí)，反應(yīng)溫度的升高也導(dǎo)致更多的無定形纖維素被降解和溶出，從而最終降低了纖維素的整體反應(yīng)可及性，羧基含量大大降低，纖維素的得率降低.

2.2 TEMPO氧化前后纖維素結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 SEM分析

圖4(a)為DES預(yù)處理結(jié)合超聲波處理15 min得到的DCF；圖4(b)為DCF的直徑分布圖，從圖4(b)計(jì)算得到DCF的平均直徑大約為51.9 nm；圖4(c)是DES預(yù)處理和TEMPO氧化后結(jié)合超聲波處理15 min得到的TOCN；圖4(d)是TOCN的直徑分布，TOCN的平均直徑大約為13.1 nm.從圖中可以看出，TOCN直徑分布均勻，纖維直徑較小，纖維間相互交織.纏結(jié)度較高，DCF未氧化時(shí)顏色為褐色，但TEMPO氧化得到的TOCN顏色是透明的.這可能是因?yàn)槔w維素中的發(fā)色物質(zhì)在TEMPO氧化過程中降解了.

(a)DCF的SEM圖

(b)DCF的直徑分布圖

(c)TOCN的SEM圖

(d)TOCN的直徑分布圖圖4 TOCN和DCF的SEM圖與其直徑分布圖

2.2.2 FT-IR分析

圖5為不同處理方法得到的豆渣纖維素的紅外光譜圖.由圖5可知，3 300 cm-1為羥基伸縮振動(dòng)峰[16]，2 920 cm-1為C-H伸縮振動(dòng)峰[17]，1 645 cm-1處的吸收峰為半纖維素中的乙?；土u苯基丙烯酸中的C=O鍵振動(dòng)引起的吸收峰，這里的吸收峰在TEMPO氧化后由強(qiáng)而窄變?yōu)閷挾?這可能是因?yàn)門EMPO氧化會(huì)部分降解半纖維素，1 540 cm-1處的峰是蛋白酰胺II組的振動(dòng)峰[18]，TEMPO氧化后這里的峰基本消失，這可能是TEMPO氧化會(huì)降解蛋白質(zhì).以1 431 cm-1為代表的-CH2和-OCH面內(nèi)彎曲振動(dòng)，以及在1 369 cm-1處的-CH彎曲振動(dòng)吸收峰存在，而在3 300 cm-1處較寬的吸收峰表明纖維素仍有更多TEMPO氧化后的羥基，即TEMPO-NaBr-NaClO催化氧化體系只選擇性氧化纖維素分子C6位的羥基，不影響C2和C3位的羥基[19].

圖5 TOCN和DCF的紅外光譜圖

2.2.3 XRD分析

不同處理對(duì)不同處理下豆渣纖維素晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度的影響如圖6所示.由圖6可知，峰值出現(xiàn)在2θ=15.1 °和22.8 °.這兩個(gè)峰位置對(duì)應(yīng)于纖維素晶體的(001)和(002)晶面，表明纖維素晶體區(qū)域的特征結(jié)構(gòu).與DCF相比，TOCN的結(jié)晶度指數(shù)從51.46%下降到44.33%.推測出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是TEMPO氧化過程不僅發(fā)生在纖維素的無定形區(qū)，也發(fā)生在結(jié)晶區(qū)，而且結(jié)晶區(qū)的反應(yīng)速度較快，使更多的結(jié)晶區(qū)部分轉(zhuǎn)化為非晶區(qū)，導(dǎo)致結(jié)晶度下降.也有可能用酸性DES預(yù)處理的豆渣纖維素會(huì)部分降解纖維素的結(jié)晶區(qū)域，使隨后的氧化劑滲透更有效，導(dǎo)致對(duì)結(jié)晶區(qū)域的大量破壞.

圖6 TOCN和DCF的XRD圖

2.2.4 流變性能分析

不同的纖維素懸浮液都表現(xiàn)出非牛頓流體剪切稀化的特性.由圖7可知，DCF粘度的斜率隨剪切速率變化而保持不變，而TOCN的曲線比DCF的斜率變化更大，這可能是由于TOCN纖維長徑比越大，纖維纏結(jié)越緊密，因此在高剪切速率下解纖程度更高，因此粘度變化越大.也可能是TOCN的聚陰離子性質(zhì)使納米纖維素網(wǎng)絡(luò)的整體分散更好[20].

圖7 TOCN和DCF的粘度曲線

2.2.5 透光率分析

紫外分光光度計(jì)用于檢測不同纖維素懸浮液的透光率.圖8所示結(jié)果表明，經(jīng)TEMPO氧化處理后，TOCN透光率增加，在500～1 020 nm波長處透光率從10%增加到超過50%.進(jìn)一步說明TEMPO氧化處理后形成納米級(jí)纖維素，在水中表現(xiàn)出良好的分散性能.這也證明了TEMPO氧化可以降解纖維素中的有色物質(zhì)[21,22].

圖8 TOCN和DCF的紫外光譜圖

3 結(jié)論

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了一種利用DES預(yù)處理結(jié)合TEMPO氧化制備納米纖維素的方法.通過研究得到以下結(jié)論:

(1)在反應(yīng)溫度為30 ℃、NaClO量為7 mmol/g纖維素、反應(yīng)時(shí)間為2 h的條件下，纖維素羧基含量最高，達(dá)1.723 mmol/g纖維素，得率為77.53%.

(2)TEMPO氧化后得到均勻分布的納米纖維素，平均直徑為13.1 nm.該方法制備豆渣納米纖維素可行且簡便，為農(nóng)業(yè)廢棄物豆渣制備CNF提供了新思路和新方法.