盧麒麟,唐麗榮,林雯怡,黃 彪,陳學(xué)榕,歐 文,林占熺,林冬梅

(1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002； 2.國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

納米纖維素(Nano-crystal Cellulose,NCC),也稱纖維素納米晶體(Cellulose Nano-crystal)，纖維素納米纖絲(Cellulose Nano-fibril)，纖維素須狀物(Cellulose Whisker)等，其粒徑大小一般在1～100 nm[1]，具有特殊的流體力學(xué)特征，較高的楊氏模量，比表面積大，可長(zhǎng)期穩(wěn)定分散在溶劑體系形成準(zhǔn)交替分散體系，在水中分散形成穩(wěn)定的NCC膠體[2-3]。NCC作為增強(qiáng)相廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，能明顯改變材料的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性能，且具生物可降解性和可持續(xù)再生性，這些特性是其他高分子材料所無法比擬的[4]。目前，NCC的制備有酸法、堿法、離子交換樹脂法[5]等多種方法。

巨菌草(Pennisetumsinese)是由福建農(nóng)林大學(xué)林占熺研究員于1983年引進(jìn)中國(guó)，經(jīng)過20多年培育出的適合我國(guó)氣候土壤環(huán)境的草種。巨菌草對(duì)土壤要求不高，在沙地、荒地、鹽堿地等均可種植，稈直高大、葉寬，不易倒伏，生物量大，一年可長(zhǎng)高5～7 m，最高鮮草產(chǎn)量每年可達(dá)525 t·hm-2，是目前已知人工種植植物的最高產(chǎn)量[6]。巨菌草纖維素含量高，可達(dá)到25%～35%，纖維長(zhǎng)度約為1.48 mm，寬度30 mm，可作為一種優(yōu)良的纖維素原料[7]。若以巨菌草為原料，研發(fā)出各種具有優(yōu)異性能、高附加值的生物質(zhì)材料，則可實(shí)現(xiàn)其高效、高附加值的資源化利用。本研究以巨菌草為原料，采用硫酸水解法制備NCC，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、時(shí)間等因素對(duì)纖維素分離過程的影響，并對(duì)其形貌、分散體系的穩(wěn)定性、譜學(xué)性能以及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與儀器 巨菌草(國(guó)家菌草工程技術(shù)研究中心提供)、硫酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))、氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))、次氯酸鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn))，試驗(yàn)中所用試劑均為分析純。

超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn))、高速冷凍離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠生產(chǎn))、真空冷凍干燥機(jī)(北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn))、Hitachi-H7650透射電子顯微鏡(日本日立公司生產(chǎn))、Nicolet 380傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)Thermo electron公司生產(chǎn))、X’Pert Pro MPD X-射線粉末衍射儀(荷蘭飛利浦公司生產(chǎn))和SZP-06 Zeta電位測(cè)定儀(瑞典BTG公司生產(chǎn))。

1.2巨菌草中提取α-纖維素 采用燒堿法制漿對(duì)巨菌草進(jìn)行蒸煮，蒸煮條件為料液比1∶5，用堿量20%，最高溫度160 ℃，保溫2 h，以除去大部分木質(zhì)素。得到的巨菌草化學(xué)漿用次氯酸鈉進(jìn)行漂白處理，以獲得純凈的α-纖維素。

1.3巨菌草納米纖維素的制備 取巨菌草α-纖維素，置于硫酸溶液中，超聲處理一定時(shí)間后，加入大量去離子水終止反應(yīng)，多次離心洗滌至中性。收集上層乳白色懸浮液，即為NCC膠體，冷凍干燥得到NCC粉末。本研究首先采用單因素試驗(yàn)，硫酸濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度各選取6個(gè)試驗(yàn)參數(shù)以確定各因素的試驗(yàn)參數(shù)范圍，然后采用L9(34)正交表設(shè)計(jì)對(duì)硫酸濃度(45%、50%、55%)、反應(yīng)時(shí)間(120、150、180 min)和反應(yīng)溫度(55、60、65 ℃)3個(gè)影響NCC得率的主要因素進(jìn)行優(yōu)化，從而確定最優(yōu)的制備方案。

1.4納米纖維素得率的測(cè)定 測(cè)量離心收集到的NCC懸浮液的總體積，取25 mL NCC懸浮液于稱量瓶中，冷凍干燥48 h，稱量。

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)，m為纖維素原料的質(zhì)量(g)，v1為NCC懸浮液的總體積(mL)，v2為量取的納米纖維素的體積(mL)。

1.5結(jié)構(gòu)表征 采用日本Hitachi-H7650透射電子顯微鏡對(duì)樣品的形貌進(jìn)行觀察：將1%的NCC超聲分散30 min，磷鎢酸染色，滴到涂有碳膜的銅網(wǎng)上觀察；采用Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品的化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行表征：將2 mg樣品和200 mg KBr混合，采用壓片法來測(cè)試，掃描范圍為4 000～200 cm-1；采用X’Pert Pro MPD X-射線粉末衍射儀對(duì)樣品的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察：特征射線Co Ka，Ni片濾波，電壓80 kV，測(cè)量范圍2θ為6°～90°，結(jié)晶度(CrI)的計(jì)算采用結(jié)晶峰面積與峰總面積之比的相對(duì)方法[8]，晶粒尺寸(L，nm)采用Scherrer公式計(jì)算[9]；將NCC超聲分散60 min，采用SZP-06 Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定樣品電位值。

CrI=(I002-Iam)/I002；

L=K·λ/β·cos·θ.

式中，I002為結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度，Iam為無定形區(qū)的衍射強(qiáng)度；K為Scherrer常數(shù)，其值為0.89，λ為X射線波長(zhǎng)(nm)，β為積分半高寬度(rad)，θ為衍射角(°)。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)

2.1.1硫酸對(duì)納米纖維素得率的影響 在反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min時(shí)，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NCC得率的影響。隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，得率也隨之上升，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，得率達(dá)到最大值(67.5%)，而后得率下降(圖1)。這是因?yàn)槔w維素在濃酸溶液中過度水解為葡萄糖，導(dǎo)致NCC得率降低。因此，硫酸濃度以50%左右為宜。

圖1 硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)巨菌草納米纖維素得率的影響Fig.1 Effects of concentration of sulfuric acid on yield of NCC

2.1.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)納米纖維素得率的影響 在反應(yīng)溫度60 ℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)NCC得率的影響。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，得率上升，反應(yīng)時(shí)間150 min時(shí)，達(dá)到最大(75.5%)，而后隨著時(shí)間增加，得率呈下降趨勢(shì)(圖2)。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的增大，部分纖維素進(jìn)一步水解為葡萄糖，導(dǎo)致NCC得率下降。因此，反應(yīng)時(shí)間以150 min左右為宜。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)巨菌草納米纖維素得率的影響Fig.2 Effects of reaction time on yield of NCC

2.1.3反應(yīng)溫度對(duì)納米纖維素得率的影響 在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、反應(yīng)時(shí)間150 min時(shí)，考察反應(yīng)溫度對(duì)NCC得率的影響。隨著反應(yīng)溫度的升高，得率增大，反應(yīng)溫度60 ℃時(shí)，得率達(dá)到最大(75%)，之后得率下降(圖3)。纖維素分子內(nèi)的糖苷鍵在較高溫度下發(fā)生斷裂，發(fā)生進(jìn)一步的水解反應(yīng)，生成葡萄糖，導(dǎo)致NCC得率下降。因此，反應(yīng)溫度以60 ℃左右為宜。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)巨菌草納米纖維素得率的影響Fig.3 Effects of reaction temperature on yield of NCC

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果 比較極差值可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度對(duì)NCC得率影響最顯著，其次是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)NCC得率影響較小(表1)。最佳工藝條件為反應(yīng)溫度50 ℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%、時(shí)間150 min，NCC得率最高達(dá)到75%。由此可見，正交試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3納米纖維素的微觀形貌 巨菌草纖維素經(jīng)硫酸水解得到的NCC呈棒狀，直徑約20 nm，長(zhǎng)度100～200 nm，同時(shí)可觀察到NCC之間相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖4)。

2.4納米纖維素的紅外光譜表征 由圖譜可觀察到(圖5)，3 450 cm-1附近有一很強(qiáng)的吸收峰，對(duì)應(yīng)為羥基的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰。2 900 cm-1附近的峰對(duì)應(yīng)為-CH2的伸縮振動(dòng)吸收峰。另外一個(gè)主要的吸收峰1 070 cm-1，對(duì)應(yīng)于纖維素醇的C-O伸縮振動(dòng)，1 168 cm-1對(duì)應(yīng)于C-C骨架的伸縮振動(dòng)吸收峰。1 635 cm-1附近較弱的吸收峰，對(duì)應(yīng)于C=C雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收，在1 380 cm-1附近對(duì)應(yīng)于C-H的彎曲振動(dòng)吸收。895 cm-1附近的吸收峰，代表糖苷鍵O-H伸縮振動(dòng)，是纖維素脫水葡萄糖單元間β-糖苷鍵的特征峰[10-11]。對(duì)比天然的巨菌草纖維素與由其所制備的NCC的紅外圖譜(圖5)，特征吸收峰并未發(fā)生明顯改變，說明硫酸水解制備出的NCC化學(xué)結(jié)構(gòu)并未被破壞或改變，仍然保持著巨菌草纖維的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

2.5納米纖維素的Zeta電位 Zeta電位代表分散在液相介質(zhì)中帶電顆粒的有效電荷。Zeta電位絕對(duì)值越大，粒子間的相互排斥越強(qiáng)，分散體系越穩(wěn)定。纖維素本身含有糖醛酸基、極性羥基等基團(tuán)，其表面總是帶負(fù)電荷。采用Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定纖維素的Zeta電位發(fā)現(xiàn)(表2)，最佳制備條件下獲得的NCC的Zeta電位絕對(duì)值達(dá)到最大，為28.8 mv，較巨菌草α-纖維素提高很多，表明制備的NCC在水介質(zhì)中顯示出良好的分散性。

2.6納米纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu) 14°處有較強(qiáng)峰，對(duì)應(yīng)于纖維素晶體的{101}面，23°附近出現(xiàn)2個(gè)強(qiáng)峰，對(duì)應(yīng)纖維素晶體的{002}面(圖6)，因此認(rèn)為制備的NCC中纖維素Ⅰ型和纖維素Ⅱ型共存[12]。根據(jù)計(jì)算，NCC的結(jié)晶度為58.9%，巨菌草纖維為52.7%，NCC的結(jié)晶度較巨菌草纖維顯著增大。這是因?yàn)榱蛩崴膺^程中，氫離子可以進(jìn)入到纖維素的無定形區(qū)，促進(jìn)糖苷鍵的斷裂，最終形成獨(dú)立的晶體。以微晶纖維素為原料制備的NCC的結(jié)晶度為77.29%[13]，以纖維素漿粕為原料制備的NCC的結(jié)晶度為70%[14]，本研究以巨菌草為原料所制備的NCC的結(jié)晶度較微晶纖維素、纖維素漿粕等原料制備的NCC的結(jié)晶度低，這主要原因可能是原料不同。微晶纖維素、纖維素漿粕等纖維原料中纖維素含量較高，結(jié)晶度較巨菌草高，制備NCC過程中沒有經(jīng)過纖維素提取的過程，故制備的NCC結(jié)晶度較高[15-16]。而以巨菌草為原料制備NCC的過程中，需要從巨菌草中提取出纖維素。纖維素提取過程中，由于NaOH、NaClO等的作用，纖維素的結(jié)晶區(qū)會(huì)受到一定程度的破環(huán)，導(dǎo)致制備的NCC的結(jié)晶度偏低，但NaOH等也會(huì)使纖維素的結(jié)構(gòu)變得較為疏松，使得酸水解過程易于進(jìn)行，無定形區(qū)更容易去除，故NCC的得率較高。NCC的晶粒尺寸約為10 nm，這與電鏡觀察到的尺寸有所不同，這是因?yàn)榘碨cherrer公式算出來的是晶粒度，而電鏡觀察到的是顆粒度，顆粒尺寸大于晶粒尺寸。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal test

圖4 納米纖維素透射電鏡圖Fig.4 Transmission electron microscopy image of NCC

圖5 巨菌草(a)和納米纖維素(b)的紅外圖譜Fig.5 FTIR spectra of Pennisetum sinese (a) and NCC(b)

表2 纖維素懸浮液的Zeta電位Table 2 Zeta potential values of aqueous suspensions of cellulose

圖6 巨菌草纖維(a)和納米纖維素(b)的X射線衍射圖譜Fig.6 XRD patterns of Pennisetum sinese (a) and NCC(b)

3 結(jié)論

以巨菌草為原料可制備得率較高、性能較好的納米纖維素，硫酸水解法制備過程中，反應(yīng)溫度對(duì)得率的影響最大，反應(yīng)時(shí)間影響較小，最佳工藝條件為硫酸濃度60%、反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間150 min；巨菌草納米纖維素呈棒狀，直徑20 nm，長(zhǎng)度100～200 nm，在水介質(zhì)中具有良好的分散性，結(jié)晶度較巨菌草纖維素有顯著提高，纖維素Ⅰ型和纖維素Ⅱ型共存，且仍保持纖維素的基本結(jié)構(gòu)。

[1] Klemm D，Heublein B，F(xiàn)ink H P，etal.Cellulose：Fascinating biopolymer and sustainable raw material[J].Angewandte Chemie，2005，44(22)：2-37.

[2] Dufresne A.Comparing the mechanical properties of high performance polymer nanocomposites from biological sources[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2006，6(2)：322-330.

[3] Han J S，Rowell J S.Chemical Composition of Fibers，in Paper and Composites from Agro-Based Resources[M].London：CRC Press，1996：83-134.

[4] Moran J I，Alvarez V A，Cyras V P，etal.Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers[J].Cellulose，2008，15(1)：149-159.

[5] Tang L，Huang B，Ou W，etal.Manufacture of cellulose nanocrystals by cation exchange resin-catalyzed hydrolysis of cellulose[J].Bioresource Technology，2011，102：10973-10977.

[6] 林占熺.菌草學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2003：1-15.

[7] 林占熺.菌草技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].福建論壇(經(jīng)濟(jì)社科版)，1996 (Z1)：80-83.

[8] 唐麗榮，黃彪，戴達(dá)松，等.陽離子交換樹脂催化制備納米纖維素晶體的譜學(xué)性能與流變行為[J].高分子材料科學(xué)與工程，2011，27(6)：45-48.

[9] Bondeson D，Mathew A，Oksman K.Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis[J].Cellulose，2006，13(2)：171-180．

[10] 吳建慧，崔艷桃，趙倩竹.干旱脅迫下4種委陵菜屬植物葉片的超微結(jié)構(gòu)[J].草業(yè)科學(xué)，2012，29(11)：1724-1730.

[11] Siró I，Plackett D.Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials：A review[J].Cellulose，2010，17(3)：459-494.

[12] Mandal A，Chakrabarty D.Isolation of nanocellulose from waste sugarcane bagasse (SCB) and its characterization[J].Carbohydrate Polymers，2011，86：1291-1299.

[13] 唐麗榮，歐文，黃彪，等.酸水解制備納米纖維素的響應(yīng)面優(yōu)化[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2011，31(6)：61-65.

[14] 張力平，唐煥威，曲萍，等.一維棒狀納米纖維素及光譜性質(zhì)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011，31(4)：1097-1100.

[15] 蘆光新，陳秀榮，楊德成，等.纖維素分解功能菌及其在草業(yè)系統(tǒng)界面中的利用潛勢(shì)[J].草業(yè)科學(xué)，2011，28(6)：1156-1161.

[16] 候新村，武菊英，左海濤，等.纖維素類能源草在京郊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)價(jià)值評(píng)價(jià)[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2011，20(6)：12-17.