陳宇飛，吳 強(qiáng)，徐光密，王靜芳，傅深淵，錢 俊

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300）

通過對(duì)纖維素酸解的研究，研究者得到了一種棒狀晶體，其直徑為5～20 nm，長(zhǎng)度范圍100 nm到幾個(gè)微米，稱為纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal，CNC）[1－2]。由于CNC具有高強(qiáng)度、高模量、低熱膨脹系數(shù)、高長(zhǎng)徑比、低密度、可再生、能生物分解等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是繼玻璃纖維、碳纖維、碳納米管之后，又一高效增強(qiáng)填料，引起了研究者們的廣泛關(guān)注[1－4]。近年來，已有研究人員從棉花Gossypium spp.[5]，木材[6]，稻 Oryza Sativa 稈[7]，麥 Triticum aestivum 稈[8]，醋酸菌 Cusuanjun[9]等原料中提取纖維素并制備了CNC，由于原材料和酸解環(huán)境（酸種類、濃度、溫度、時(shí)間等）的不同，CNC的形態(tài)尺寸也不相同。例如，由醋酸菌制備得到的CNC，直徑為15 nm，長(zhǎng)度可達(dá)幾微米[9]；而由棉花制備得到的CNC，直徑為5～10 nm，長(zhǎng)度為100～200 nm[5]。五節(jié)芒Miscanthus floridulus分布廣，生長(zhǎng)速度快（生長(zhǎng)季節(jié)為4 cm·d－1），生物量大（45 t·hm－2），再生能力非常強(qiáng)[12]。然而，隨著人民生活水平的日益提高，五節(jié)芒的利用數(shù)量減少，導(dǎo)致造林難度增加，生物多樣性被破壞。五節(jié)芒莖的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)47.9%[13]，可作為制備CNC的一種優(yōu)質(zhì)原料。如果能利用五節(jié)芒制備出高附加值的CNC，將為五節(jié)芒的高效利用提供很好的方向。因此，本研究采用正交分析法考察了硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)CNC產(chǎn)率、懸浮液穩(wěn)定性與形態(tài)尺寸的影響，以期為五節(jié)芒CNC的制備工藝提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

五節(jié)芒（來自浙江省開化縣）曬干后粉碎；冰乙酸（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；亞氯酸鈉（80%，阿拉丁試劑公司）；硫酸（分析純，杭州大方化學(xué)試劑廠）；無(wú)水乙醇（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鉀（分析純，西隴化工股份有限公司）。

恒溫磁力攪拌油浴鍋DF-II（中國(guó)金壇市杰瑞爾電器有限公司）；循環(huán)水多用真空泵SHZ-D（III）（中國(guó)海予英儀器有限公司）；TG16G離心機(jī) （中國(guó)湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司）；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)JY98-III DN（中國(guó)寧波新芝生物科技股份有限公司）；ZetaPALS（美國(guó)Brookhaven公司）；透析袋MD44，截留分子 8000～14000 g·mol－1，Solarbio。

1.2 纖維素的提取

按文獻(xiàn)[5，7]實(shí)驗(yàn)步驟，從五節(jié)芒中提取纖維素。主要步驟如下：稱取30.0 g五節(jié)芒粉末置于1000 mL燒杯中，倒入蒸餾水直至浸沒，磁力攪拌下在70℃恒溫水浴浸泡至蒸餾水明顯發(fā)黃變色，用蒸餾水洗滌抽濾，以除去水溶性雜質(zhì)。將所得固體與600 mL的氫氧化鉀溶液（0.90 mol·L－1）充分混合，在水浴中加熱至90℃并攪拌反應(yīng)4 h，以降解半纖維素，抽濾，并用大量去離子水洗滌至濾液為中性，得到黃色絮狀產(chǎn)物。將黃色絮狀產(chǎn)物放入燒杯，用無(wú)水乙醇浸沒，磁力攪拌4 h，除去蠟層，使更易抽濾。抽濾后將得到的產(chǎn)物浸入 1000 mL亞氯酸鈉溶液（0.15 mol·L－1），用醋酸調(diào)節(jié)到pH 3～4，在 70℃下水浴攪拌5 h，抽濾，并用大量去離子水淋洗至濾液呈中性，得到白色固體，此步驟目的為除去五節(jié)芒中的木質(zhì)素。將上述白色固體在60℃烘箱中烘干后得到纖維素，稱量并計(jì)算出五節(jié)芒的纖維素比率為44.7%。

1.3 纖維素納米晶體（CNC）制備

稱取烘干的五節(jié)芒纖維素2.0 g，置于20 mL硫酸溶液中，用正交分析法考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間、酸解溫度對(duì)CNC產(chǎn)率、形態(tài)和懸浮液穩(wěn)定性的影響，正交因子見表1。酸解后，將樣品用10倍質(zhì)量的去離子水稀釋，并在5000 r·min－1下離心10 min，除去大量的酸；然后將得到的離心膠體置于透析膜中透析至中性；最后，用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)超聲15 min，得五節(jié)芒CNC懸浮液。

1.4 透射電鏡（TEM）觀察

用日本JEOL公司JEM-1200EX透射電子顯微鏡（TEM）觀察CNC形貌。用滴管吸取1滴待測(cè)CNC懸浮液（0.5 g·L－1），滴在電鏡銅網(wǎng)上，用20.0 g·L－1醋酸雙氧鈾染色，干燥2 min，隨后用TEM進(jìn)行觀察。

1.5 產(chǎn)率計(jì)算

稱取m1g五節(jié)芒CNC懸浮液，置于60℃烘箱中干燥至恒量，稱量為m2g，由式（1）得CNC懸浮液的濃度 c，再由式（2）算得 CNC 產(chǎn)率（x）。

式（1）和式（2）中，m3為酸解得到的CNC懸浮液總質(zhì)量；m4為酸解所用纖維素的質(zhì)量。

1.6 Zeta電位測(cè)試

采用ZetaPALS的Zeta電位測(cè)試模式表征CNC懸浮液的Zeta電位，測(cè)試條件為25℃，測(cè)試5個(gè)循環(huán)，取平均值。

1.7 纖維素納米晶體（CNC）懸浮液動(dòng)態(tài)光散射表征

采用ZetaPALS的粒徑測(cè)試模式表征CNC懸浮液的顆粒尺寸，測(cè)試條件：25℃，持續(xù)時(shí)間6 min，測(cè)試3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素納米晶體（CNC）形貌觀察

圖1為不同酸解工藝條件下制備的CNC的TEM照片，其中，圖1a的工藝條件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)62%，45℃，45 min，CNC長(zhǎng)度約180 nm，直徑為5～15 nm；圖1b的工藝條件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)62%，50℃，60 min，CNC長(zhǎng)度約160 nm，直徑為5～15 nm；圖1c為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%，45℃，60 min，CNC長(zhǎng)度約90 nm，直徑為5～10 nm。由圖1可知：用硫酸酸解法可從五節(jié)芒中成功制得CNC，制得的CNC為剛性棒狀結(jié)構(gòu)，而其形貌尺寸強(qiáng)烈依賴于工藝條件（硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解溫度和時(shí)間）。

圖1 五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC）的透射電鏡照片F(xiàn)igure1 TEM photographs of Miscanthus floridulus CNC

2.2 纖維素納米晶體（CNC）產(chǎn)率

表1是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間及溫度對(duì)CNC產(chǎn)率的正交分析結(jié)果。由表1可知：CNC產(chǎn)率為25%～50%。根據(jù)極差（R）的大小順序，硫酸酸解法制備五節(jié)芒CNC的3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)率的影響依次為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間、酸解溫度。根據(jù)方差分析，硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間、酸解溫度的P值分別為0.03，0.06和0.35，表明：硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間和酸解溫度對(duì)CNC產(chǎn)率的影響分別為顯著、不顯著和不顯著。因素平均值（k）分析表明，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，CNC產(chǎn)率先升高后降低，在62%時(shí)出現(xiàn)最大值，主要是由于硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)纖維素不完全酸解和硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)纖維素的過度酸解引起的。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%，五節(jié)芒纖維素將發(fā)生炭化，無(wú)法制得CNC。延長(zhǎng)酸解時(shí)間，產(chǎn)率也出現(xiàn)先升高后降低，最佳時(shí)間為45 min。主要原因是硫酸酸解通過破壞纖維素?zé)o定型部分獲得CNC，因此，酸解存在最佳時(shí)間。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間小于最佳時(shí)間，酸解不完全，產(chǎn)率不高；反應(yīng)時(shí)間超過最佳時(shí)間，則酸解過度，纖維素晶體部分也參與反應(yīng)，CNC產(chǎn)率降低。酸解溫度升高與酸解時(shí)間延長(zhǎng)等效，也存在最佳反應(yīng)溫度，但溫度對(duì)產(chǎn)率的影響較小。因此，CNC產(chǎn)率最高的生產(chǎn)工藝為：硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)62%，酸解時(shí)間45 min，酸解溫度45℃，CNC的得率為51.17%。此正交試驗(yàn)結(jié)果與唐麗榮等[14]用微晶纖維素制備CNC和劉志明等[15]蘆葦漿制備CNC的結(jié)果基本吻合，都是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CNC得率的影響最大，其最佳條件和產(chǎn)率的細(xì)微差異可能是由于纖維素原料的不同而造成的。

2.3 纖維素納米晶體（CNC）懸浮液的穩(wěn)定性

Zeta電位可用于評(píng)價(jià)懸浮液的穩(wěn)定性，Zeta電位絕對(duì)值大于30.00 mV，表明體系比較穩(wěn)定，Zeta電位絕對(duì)值越大，體系越穩(wěn)定。本研究通過硫酸酸解法制備五節(jié)芒CNC，在酸解過程中，纖維素表面會(huì)與硫酸反應(yīng)帶有磺酸根負(fù)離子，CNC表面帶有負(fù)電荷，所測(cè)定的Zeta電位為負(fù)值。不同工藝條件得到CNC懸浮液的Zeta電位列于表2。由表2可知：五節(jié)芒CNC的Zeta電位基本都在－30.00 mV以下，最低可達(dá)－54.55 mV，表明酸解得到的CNC懸浮液非常穩(wěn)定。P值分析表明3個(gè)工藝條件對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響均不顯著。R值分析可知：3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)其穩(wěn)定性的影響依次為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酸解時(shí)間和反應(yīng)溫度。其中，CNC的穩(wěn)定性隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高、酸解時(shí)間延長(zhǎng)和反應(yīng)溫度升高而提高，這主要是硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，酸解時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，反應(yīng)程度越高，CNC表面生成的磺酸基團(tuán)含量越高引起的。CNC懸浮液穩(wěn)定性最高的實(shí)驗(yàn)條件為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%，酸解時(shí)間60 min，反應(yīng)溫度50℃。

2.4 纖維素納米晶體（CNC）尺寸

動(dòng)態(tài)光散射法（DLS）可測(cè)定分散于液體中顆粒的流體力學(xué)直徑，雖然不能直接給出CNC的真實(shí)長(zhǎng)度，但其結(jié)果可作為酸解CNC尺寸大小的合理參考依據(jù)。表3給出了由DLS測(cè)定的各組CNC流體力學(xué)直徑。與TEM得到的結(jié)果相比較，可發(fā)現(xiàn)用DLS得到的CNC長(zhǎng)度略小于TEM的觀察結(jié)果。另外，硫酸酸解法制備CNC的3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)其流體力學(xué)直徑的影響依次為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度和酸解時(shí)間。k值表明：硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與反應(yīng)溫度越高，CNC流體力學(xué)直徑越??；酸解時(shí)間對(duì)CNC尺寸的影響較小。P值表明：硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CNC尺寸影響顯著，反應(yīng)溫度與酸解時(shí)間對(duì)CNC尺寸影響不顯著。

表1 五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC）產(chǎn)率正交試驗(yàn)結(jié)果Table1 Results of the Miscanthus floridulus CNC yield through orthogonal experiments

表2 五節(jié)芒CNC懸浮液的Zeta電位正交試驗(yàn)結(jié)果Table2 Results of the Miscanthus floridulus CNC suspensions Zata potential through orthogonal experiment

表3 五節(jié)芒CNC流體力學(xué)直徑正交試驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of the Miscanthus floridulus CNC hydrodynamic diameter through orthogonal experiment

3 結(jié)論

用硫酸酸解法可制得五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC），其形態(tài)為剛性棒狀結(jié)構(gòu)，CNC懸浮液非常穩(wěn)定，酸解工藝條件會(huì)顯著影響CNC形態(tài)尺寸。

正交實(shí)驗(yàn)分析表明：3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)CNC產(chǎn)率的影響依次為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù) （P＝0.03），酸解時(shí)間（P＝0.06），反應(yīng)溫度（P＝0.35）；對(duì)CNC流體力學(xué)直徑的影響依次為硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（P＝0.03），反應(yīng)溫度（P＝0.22）和酸解時(shí)間（P＝0.38）；對(duì)CNC懸浮液穩(wěn)定性的影響均不顯著。

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