落葉松和毛白楊制備納米結晶纖維素的性能對比

林舒媛，李昱，朱月梅，張浩，佘穎，蒲俊文

(北京林業大學材料科學與技術學院，北京 100083)

纖維素是世界上含量最豐富的可再生高分子材料，具有兩相結構［1］。納米結晶纖維素(nano-crystalline cellulose，NCC)是一種棒狀纖維素晶須，直徑1～100 nm，長度有數十到數百納米［2］，具有特殊的物理化學性質，可以從廉價的可再生生物質中制備［3］。NCC的制備原料來源廣泛，已有的用于制備NCC 的原料主要包括木材［4］、棉花纖維［5］、生物被囊［6］、蘆葦［7］、細菌纖維素［8］、微晶纖維素［9］、α－纖維素［10］等，其中以木材纖維及棉纖維的方法制備NCC的研究較為常見［11］。

纖維素基材料均可以用來制備NCC，不同的原料由于結構和組成的不同，會導致所制備NCC性質的差異。本研究根據針葉材、闊葉材的不同結構和性質，選取常見樹種落葉松、毛白楊為代表樹種，分別制備NCC并比較其性能差異。

1 實驗

1．1 原料與儀器

落葉松漿粕取自俄羅斯，毛白楊漿粕取自河北。實驗所用儀器為JY98－ⅢN超聲波細胞破碎儀，寧波新芝生物科技股份有限公司;FD－1D－50真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司;TENSOR27傅里葉變換中紅外，德國布魯克公司;DTG60熱重分析儀，日本島津公司;XRD6000 X射線衍射儀，日本島津公司。試劑均為分析純。

1．2 實驗方法

1．2．1 NCC材料的制備 首先用20% 的NaOH溶液洗滌漿粕除去半纖維素［12］，將除去半纖維素的漿粕在60℃ 恒溫水浴中進行酸水解［13］，25% 硫酸，水解時間5 h，破壞纖維結構中的非結晶區而保持結晶區結構完整，獲得結晶纖維素;然后將獲得的結晶纖維素烘至絕干，配制得到質量分數1% 的結晶纖維素水溶液，通過超聲破碎將結晶纖維素的尺寸降至納米尺度［14］，超聲功率1 200 W，超聲時間20 min;再將納米結晶纖維素水溶液冷凍后在－50℃的真空條件下冷凍干燥48 h，可避免加熱干燥過程導致的納米顆粒團聚［15－16］。

1．2．2 評價指標及測定方法 漿粕中α－纖維素質量分數的測定方法如下:稱取一定質量漿粕，用質量分數17．5% 的NaOH溶液浸漬后置于(20±0．5)℃的恒溫水浴中絲光化處理45 min，再用(20±0.5)℃的質量分數9．5% 的NaOH溶液洗滌2～3 min，然后用蒸餾水和2 mol/L的乙酸分別處理，最后洗滌至中性并干燥、稱重。α－纖維素質量分數按下式計算:

聚合度(DP)的測定方法如下:精確稱取一定質量漿粕，加入2～3塊紫銅片，加入25 mL蒸餾水和25 mL銅乙二胺溶液，排除空氣后劇烈搖蕩至試樣完全溶解，在(25±0．1℃)的恒溫水浴恒溫5 min，利用黏度計測定試液流出時間，用待定系數法計算出黏度(μ)。DP按下式計算出:

紅外光譜采用KBr壓片法通過FT－IR測得，掃描波數400～4000 cm－1;結晶度通過XRD測得，掃描角度范圍為5～45°，掃描速率為0．2(°)/min;熱穩定性通過熱重分析儀測得，升溫范圍為50～500℃，升溫速率為10℃/min，氮氣保護。

2 結果與討論

2．1 漿粕性能表征

2．1．1 α－纖維素質量分數 纖維原料的α－纖維素質量分數是造紙等行業中的重要指標，對纖維素衍生物和紙張的生產過程及產品質量等影響甚大。作為纖維中用于制備NCC的主要成分，α－纖維素的質量分數與NCC的制備得率關系密切。漿粕α－纖維素質量分數測定結果見表1。

表1 落葉松與毛白楊漿粕α－纖維素質量分數Table 1 The mass fraction of α-cellulose in larch and P．tomentosa

從表1中可以看出，落葉松中的α－纖維素質量分數平均值為88．93%，而毛白楊的α－纖維素質量分數平均值為85．90%，落葉松的α－纖維素質量分數比毛白楊高3．03個百分點。

2．1．2 聚合度 聚合度是纖維的重要性質之一，它表示纖維素分子鏈的長短，其大小直接關系到纖維的物理、力學及化學性質。聚合度越大，纖維分子鏈中單體的數量就越多，強度也就越高，當纖維素的聚合度低于200時，其自身的強度基本喪失。纖維素基材的聚合度直接影響其制備獲得NCC的性能，較高的基材聚合度可以減少酸水解過程對纖維素結晶區的破壞。聚合度測定結果見表2。

表2 落葉松與毛白楊漿粕聚合度Table 2 The degrees of polymerization(DP)of larch and P．tomentosa

從表2中可以看出，落葉松的平均聚合度為1048．11，毛白楊的平均聚合度為976．07，落葉松較高的聚合度能對纖維素的結晶區提供優于毛白楊的保護。

2．2 NCC性能表征

2．2．1 NCC得率 由于落葉松漿粕和毛白楊漿粕在α－纖維素質量分數和聚合度等性質方面的差異，會導致NCC得率的不同，兩種原料制備NCC的得率見表3。由表3可知，落葉松制備NCC的得率為37．0%，毛白楊制備NCC的得率為32．2%，落葉松制備NCC得率比毛白楊高4．8個百分點。

表3 落葉松與毛白楊漿粕制備NCC得率Table 3 The yields of NCC from larch and P．tomentosa

2．2．2 FT－IR分析 NCC的制備過程利用酸水解將纖維素中的非結晶區除去，通過超聲處理的撕裂和剪切作用使結晶纖維素的尺寸下降至納米級，從而獲得NCC，但是其基本結構單元沒有受到破壞。

由圖1、圖2可知，來自不同原料的纖維素經過處理后，其特征吸收峰在紅外譜圖上只表現出強度變化，即經過酸水解和超聲處理后的樣品在基本結構上沒有被破壞。在3340 cm－1附近處是游離羥基和氫鍵締合的—OH官能團的伸縮振動吸收峰，這是纖維素的特征譜帶［17］;而在2912 cm－1附近處是—CH2—和—CH官能團的伸縮振動吸收峰;出現在1700 cm－1附近處是羰基的伸縮振動吸收峰［18］;1375 cm－1是C—H的彎曲振動吸收峰。NCC由于比表面積的增大，暴露出更多的羥基，所以在3340 cm－1處顯示出了更強的吸收。與水解落葉松相比，水解毛白楊在1700 cm－1處的峰強明顯低于原始毛白楊，落葉松NCC特征吸收峰與原始落葉松相比的變化程度明顯小于毛白楊，所以酸水解和超聲處理對落葉松結構的影響小于毛白楊。

圖1 落葉松不同樣品的紅外光譜Fig．1 FT-IR spectra of larch samples with different treatments

圖2 毛白楊不同樣品的紅外光譜Fig．2 FT-IR spectra of P．tomentosa samples with different treatments

2．2．3 XRD分析 NCC的制備過程會對纖維素的結晶結構產生影響，通過XRD對不同處理階段樣品的結晶結構進行分析。如圖3、圖4、表4所示，僅經過酸水解處理的落葉松和毛白楊樣品的非結晶區被除去，結晶區的比例增加，所以101(2θ=17．5°)晶面和002(2θ=22．5°)晶面的衍射強度明顯提高，毛白楊相對強度增量大于落葉松;由于超聲處理過程會對纖維素產生劇烈的撕裂作用，所以相對于水解樣品，同時經過酸水解和超聲處理得到的NCC結晶區遭到破壞，導致NCC的結晶度下降。

圖3 落葉松不同樣品的X射線譜圖Fig．3 XRD patterns of larch samples with different treatments

圖4 毛白楊不同樣品的X射線譜圖Fig．4 XRD patterns of P．tomentosa samples with different treatments

表4 落葉松與毛白楊試樣結晶度Table 4 The crystallinities of samples from larch and P．tomentosa

2．2．4 TG分析 利用TG測定不同原料對NCC熱穩定性的影響，由落葉松和毛白楊制備得到的NCC在熱降解溫度上有所不同，見圖5、圖6。

圖5 落葉松不同樣品的TG譜圖Fig．5 Thermal stability of larch samples with different treatments

圖6 毛白楊不同樣品的TG譜圖Fig．6 Thermal stability of P．tomentosa samples with different treatments

從圖5、圖6可以看出，落葉松和毛白楊的NCC樣品的熱降解溫度相比原始樣品和水解樣品都有明顯的下降。由于經過酸水解、超聲等手段處理后，纖維素原料聚合度下降，粒徑急劇減小，比表面積顯著增大，表面上的末端碳和外露的反應活性基團顯著增加，導致其熱穩定性降低［19］。制備NCC過程中的強酸水解及超聲波撕裂、剪切作用，導致大量的纖維素鏈段被破壞和斷裂［20］，所以NCC比水解纖維素受到的結構改變更大，其熱降解溫度最低。未經處理的落葉松、毛白楊纖維素的熱穩定性基本一致，熱降解溫度分別為320．5℃ 和317．8℃;而落葉松NCC熱降解溫度下降至295．2℃，毛白楊NCC熱降解溫度為283．1℃。

3 結論

3．1 落葉松漿粕的α－纖維素含量平均值為88．93%，平均聚合度為1048．11;毛白楊漿粕的α－纖維素含量平均值85．90%，平均聚合度為976．07。落葉松漿粕的α－纖維素含量比毛白楊漿粕高3．03個百分點，而纖維聚合度高7．38%。

3．2 經過酸水解等處理后，落葉松漿粕和毛白楊漿粕的纖維素基本結構所受影響不明顯，FT－IR圖譜峰位無變化。落葉松NCC制備過程所受破壞較小，其結晶結構經過處理以后基本保持完整;而毛白楊漿粕XRD圖譜中的水解纖維素和NCC的結晶結構變化明顯，101晶面衍射強度下降達75%。由落葉松漿粕制備所得納米結晶纖維素的熱降解溫度為295．2℃，而由毛白楊漿粕制備所得的納米結晶纖維素的熱降解溫度為283．1℃。相比原始樣品，落葉松NCC的熱降解溫度下降7．89%，而毛白楊樣品則下降了10．92%，表明落葉松NCC結晶結構致密，受酸水解、超聲破壞較小，熱穩定性較高。

［1］SONIA A，PRIYA DASAN K．Chemical，morphology and thermal evaluation of cellulose microfibers obtained from Hibiscus sabdariffa［J］．Carbohydrate Polymers，2012，92(1):668－674．

［2］RUIZ M M，CAVAILLE J Y，DUFRESNE A，et al．Processing and characterization of new thermoset nanocomposites based on cellulose whiskers［J］．Composite Interfaces，2000，7(2):117－131．

［3］LAM E，MALE K B，CHONG J H，et al．Applications of functionalized and nanoparticle-modified nanocrystalline cellulose［J］．Trends in Biotechnology，2012，30(5):283－290．

［4］SAXENA A，ELDER T J，RAGAUSKAS A J．Moisture barrier properties of xylan composite films［J］．Carbohydrate Polymers，2011，84(4):1371－1377．

［5］FAN Jin-shi，LI Yan-hao．Maximizing the yield of nanocrystalline cellulose from cotton pulp fiber［J］．Carbohydrate Polymers，2012，88(4):1184－1188．

［6］PADALKAR S，CAPADONA J R，ROWAN S J，et al．Self-assembly and alignment of semiconductor nanoparticles on cellulose nanocrystals［J］．Journal of Materials Science，2011，46(17):5672－5679．

［7］劉志明，謝成，吳鵬，等．間硝基苯磺酸鈉助催化硫酸水解制備蘆葦漿納米纖維素［J］．生物質化學工程，2012，46(5):1－6．

［8］MARTA M S，AMPARO L R，LAGARON J M．Optimization of the nanofabrication by acid hydrolysis of bacterial cellulose nanowhiskers［J］．Carbohydrate Polymers，2011，85(1):228－236．

［9］LIU Hong-zhi，LABORIE M P G．Bio-based nanocomposites by in situ cure of phenolic prepolymers with cellulose whiskers［J］．Cellulose，2011，18(3):619－630．

［10］BEN M A，VILAR M R，MAGNIN A，et al．Synthesis and characterization of cellulose whiskers/polymer nanocomposite dispersion by miniemulsion polymerization［J］．Journal of Colloid and Interface Science，2011，363(1):129－136．

［11］田景陽，朱琦，張璠，等．納米微晶纖維/聚乙烯醇復合薄膜的制備及性能［J］．造紙科學與技術．2012，31(3):22－25．

［12］李金玲，陳廣祥，葉代勇．納米纖維素晶須的制備及應用的研究進展［J］．林產化學與工業，2010，30(2):121－125．

［13］王能，丁恩勇．酸堿處理后納米微晶纖維素的熱行為分析［J］．高分子學報，2004(6):925－928．

［14］唐麗蓉，歐文，林雯怡，等．酸水解制備納米纖維素工藝條件的響應面優化［J］．林產化學與工業，2011，31(6):61－65．

［15］宋曉磊，姚春麗，王樂，等．納米微晶纖維素的制備及在造紙中的應用研究［J］．造紙科學與技術，2011，30(3):43－47．

［16］吳開麗，徐清華，譚麗萍，等．納米纖維素晶體的制備方法及其在制漿造紙中的應用前景［J］．造紙科學與技術，2010，29(1):55－60．

［17］徐德增，李丹，徐磊．殼聚糖/木質纖維素共混纖維的研究［J］．大連工業大學學報，2012(6):444－447．

［18］STARK N M，MATUANA L M．Characterization of weathered wood-plastic composite surfaces using FTIR spectroscopy，contact angle，and XPS［J］Polymer Degradation Stability，2007，92(10):1883－1890．

［19］蔣玲玲，陳小泉．納米纖維素晶體的研究現狀［J］．纖維素科學與技術，2008，16(2):73－78．

［20］DIAB M A，EL-SONBAT A Z，BADER D M D．Thermal stability and degradation of chitosan modified by benzophenone［J］．Spectro-chimica Acta(A)，2011，79(5):1057－1062．