金 浩,黃廣華

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000)

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硫酸水解法制備納米纖維素晶體的譜學(xué)性能研究*

金 浩,黃廣華

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000)

利用超聲波輔助硫酸水解微晶纖維素制備納米纖維素晶體，并采用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FETEM)、場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEGE-SEM)、X射線衍射儀(XRD)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)所制備的納米纖維素晶體進(jìn)行表面形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等方面的普學(xué)性能分析。分析結(jié)果表明：納米纖維素晶體呈短棒狀，直徑和長(zhǎng)度主要分布在2～24 nm 和50～450 nm，屬于纖維素Ⅰ型，仍然具有纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

酸水解；納米纖維素晶體；譜學(xué)性能

目前對(duì)纖維素進(jìn)行研究的熱點(diǎn)之一是通過各種方式制備性能優(yōu)異的納米纖維素晶體。當(dāng)前主要有三種方法制備納米纖維素晶體，第一種是物理法制備微纖化納米纖維素晶體；第二種是化學(xué)法制備納米纖維素晶體；第三種是細(xì)菌法制備納米纖維素晶體[1-2]。天然纖維素由晶體區(qū)和無定形區(qū)構(gòu)成，這種大分子結(jié)構(gòu)依靠其分子內(nèi)和分子外的氫鍵以及弱作用力的范德華力[3-4]。通過酸水解的方式可以選擇性地降解無定形區(qū)而得到纖維素晶體，這些纖維素晶體通過超聲波等物理方法進(jìn)一步處理可得到納米級(jí)纖維素晶體。本論文采用微晶纖維素為原料，利用超聲波輔助硫酸水解方法制備納米纖維素晶體，并對(duì)其譜學(xué)性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 納米纖維素晶體的制備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：微晶纖維素(MCC)，河北長(zhǎng)榮化工有限公司；硫酸，長(zhǎng)樂德潤(rùn)化工有限公司。

儀器：超聲波，KQ-250DB型臺(tái)式數(shù)控超聲波，昆山市超聲儀器有限公司；離心機(jī)，TD型高速離心機(jī)，常州市萬豐儀器制造有限公司。

1.1.2 制備方法

將MCC與濃硫酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%)以1:1的比例混合均勻，在一定溫度下超聲波處理3 h，然后高速離心，再進(jìn)行超聲5 min，得到pH 值約為6～7 的納米纖維素晶體膠體，最后用去離子水作為透析液將膠體透析數(shù)天，經(jīng)冷凍干燥得到粉末狀NCC。

1.2 納米纖維素晶體的譜學(xué)性能研究

利用Tecnai G2F20型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FETEM)和XL30 ESEM-FEG型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEGE-SEM)對(duì)所制備的納米纖維素晶體的表面形貌、尺寸、分散情況進(jìn)行分析；采用荷蘭飛利浦公司X’Pert Pro MPD 型X射線衍射儀(XRD)對(duì)試樣的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；利用Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維素晶體的表面微觀形貌與尺寸

通過場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FETEM)和場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEGESEM)觀察納米纖維素晶體，其表面微觀形貌分別為圖1、圖2所示，其直徑與長(zhǎng)度尺寸分布如圖3所示。

圖1 硫酸水解法制備NCC的場(chǎng)發(fā)射透射電鏡圖

圖2 硫酸水解法制備NCC的場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡圖Fig.2 FEGE-SEM images of NCC prepared by sulfuric acid hydrolysis method

圖3 硫酸水解法制備NCC的直徑與長(zhǎng)度尺寸分布

2.2 X射線衍射分析

圖4 NCC的XRD圖譜

樣品結(jié)晶度/%晶粒尺寸/nm101101002H2SO4-NCC77.296.13.35.7

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

微晶纖維素與納米纖維素晶體利用傅里葉變換紅外光掃描得到如圖5所示。

由圖5可知，3347 cm-1附近有一主要的峰，可知結(jié)構(gòu)中含羥基。2900 cm-1附近有對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，說明結(jié)構(gòu)中含有亞甲基(-CH2-)的C-H。1058 cm-1有一個(gè)伸縮振動(dòng)吸收峰，說明結(jié)構(gòu)中含有C-O， 1112 cm-1對(duì)應(yīng)纖維素分子內(nèi)醚的C-O伸縮振動(dòng)，1165 cm-1對(duì)應(yīng)C-C骨架， 1430 cm-1對(duì)應(yīng)飽和C-H的彎曲振動(dòng)峰，895 cm-1對(duì)應(yīng)纖維素異頭碳(C1)的振動(dòng)頻率[8-9]。由圖5可知，納米纖維素晶體譜圖上的特征峰與天然纖維素相比并沒有明顯變化，說明NCC仍然具有纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖5 MCC和NCC的紅外光譜圖

3 結(jié) 論

(1)采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEGESEM)和場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(FETEM)觀察硫酸水解法制得的納米纖維素晶體呈短棒狀，測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析其直徑與長(zhǎng)度分布，NCC直徑為2～24 nm，其中約30%為3～6 nm；長(zhǎng)度主要為50～450 nm，其中約有65%長(zhǎng)度小于200 nm。

(2)X射線衍射圖譜表明硫酸水解法制得的納米纖維素晶體屬于纖維素Ⅰ型。與微晶纖維素相比，NCC的結(jié)晶度有較大程度的提高，晶區(qū)寬度平均為6個(gè)晶胞組成。

(3)傅里葉變換紅外光譜圖表明硫酸水解法制得的納米纖維素晶體譜圖上的特征峰與天然纖維素相比并沒有明顯變化，說明NCC仍然具有纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

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Study on Spectrum of Nanocellulose Crystal Prepared with Sulfuric Acid Hydrolysis*

JINHao,HUANGGuang-hua

(Zhangzhou Institute of Technology, Fujian Zhangzhou 363000, China)

Nanocellulose crystal was prepared from microcrystalline cellulose by sulfuric acid hydrolysis assisted with ultrasound. Furthermore,the surface topography, size, crystal structure and spectral properties of Nanocellulose crystal were analyzed with field emission transmission electron microscopy(FETEM), field emission gun environment scanning electron microscopes(FEGE-SEM), X ray diffraction(XRD) and Fourier transformation infrared spectroscopy(FTIR). The results showed that the NCC were rod like,and the diameter was about 2～24 nm, with the length of 50～450 nm. NCC was characteristic of the celluloseⅠcrystal form, NCC still kept with the basic chemical structure of cellulose.

sulfuric acid hydrolysis；nanocellulose crystal；spectrum

漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(ZZY1512)。

金浩(1982-)，男，碩士研究生，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：林產(chǎn)化學(xué)加工工程。

O62

A

1001-9677(2016)020-0046-03