TEMPO氧化体系协同超声波法纤维素纳米纤丝的制备及表征

徐春霞，降 帅，韩阜益，徐 芳，刘丽芳

(东华大学纺织学院，上海 201620)

天然纤维素大分子是一种由D-吡喃葡萄糖环以β(1-4)糖苷键连接而成的线性多糖天然高分子[1]，大约36个独立的纤维素分子通过生物质聚集成较大的单元，称为基原纤(elementary fibrils)或微原纤(microfibrils)，进而组合成原纤，形成了具有结构层次的纤维素[2]。

纤维素纳米纤丝(cellulose nanofibrils，CNFs)可通过化学、机械或生物法从各种植物资源中提取[3]，且往往采用两种或两种以上方法复合处理[4]。TEMPO氧化法是常用的化学方法之一，东京大学Saito等[5]采用TEMPO氧化体系对湿木浆进行定向氧化，制得直径为3nm～4 nm、长度为几微米的CNFs。 TEMPO氧化处理后，虽然部分纤丝由于负电荷的斥力作用在一定程度上分散开来，但是氧化仅仅发生在表面，纤维形态基本保持不变。因此，该方法常与其他物理法，如高压均质法、高速搅拌法、高强度超声法等结合，进而提高纳米纤丝的分散程度[6]。

超声波法以其简单、高效等优点而被广泛应用于制备纤维素纳米纤丝[7-8]，其基本原理是超声波交替产生低压和高压波，使小的真空气泡产生与塌陷，即空化现象[9]；通过空化现象产生高速撞击液体的射流和强大的流体剪切力，从而剥离纤维素细胞壁，逐步使宏观尺度的纤维分解成CNFs[10]。超声波法可以单独使用，也可与其他方法结合使用。陈文帅[11]以杨木粉末为原料，借助高强度超声波的空化作用，直接对化学纯化后的纤维素进行处理得到CNFs，研究了超声处理功率和时间对CNFs结构和性能的影响。卢芸[12]以落叶松为原料，用高频超声处理后，得到CNFs，并制备了CNFs薄膜和泡沫材料。Sun等[13]利用超声辅助硫酸水解法制备玉米秸秆纤维素纳米晶须(CNCs)，研究超声辅助酸解条件对CNCs制得率的影响，并通过响应面法优化得到最佳工艺条件。段玲[6]对比了TEMPO氧化法，分别与超声波及研磨法相结合从黄麻工艺纤维中获取纳米纤丝的工艺。

本文利用从水稻秸秆中提取的纯化纤维素，采用TEMPO氧化体系对其进行处理，再协同超声波法制备CNFs，研究优化超声波处理时间，并采用傅里叶红外光谱(FTIR)、Zeta电位、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)等对产物进行表征。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：水稻秸秆(取自山东泰安农场)；甲苯、冰醋酸、氢氧化钾(KOH)(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司)；溴化钠(NaBr)、次氯酸钠(NaClO)、盐酸(HCl)、氢氧化钠(NaOH)(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；无水乙醇(分析纯，常熟市鸿盛精细化工有限公司)；2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)(分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司)；亚氯酸钠(NaClO2)(分析纯，上海泰坦科技股份有限公司)。

仪器：GY-FS-06型多功能粉碎机(江西赣云食品机械有限公司)；FA2004型电子天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司)；DK-S28型恒温水浴锅(上海玺源科学仪器有限公司)；DHG-9030A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；SKZ-D(Ⅲ)型循环水式多用真空泵(天津华鑫仪器厂)；PHS-3C 型精密pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)；DF-101S型磁力搅拌器(巩义予华仪器有限公司)；JY92-IIDN型超声细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司)；Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪(英国PerkinElmer)；Nano ZS 型纳米粒度与电位分析仪(英国Malvern)；D/MAX-2550PC型X射线多晶衍射仪(日本RIGAKU)；JEM-2100型透射电子显微镜(日本JEOL)；TGA 4000型热重分析仪(荷兰PerkinElmer)。

1.2 水稻秸秆纯化纤维素的提取

(1)前处理。将水稻秸秆原料(raw rice straw，记为RAW)剪短、洗净，在电热鼓风干燥箱中烘干至恒重；粉碎并过60目筛，得到水稻秸秆粉末。

(2)苯醇处理。称取5 g水稻秸秆粉末，置于索式提取器中，采用体积比为2:1的甲苯乙醇溶液在90 ℃下抽提6 h；将抽提后的粉末(de-wax rice straw，记为 DWR)用无水乙醇进行抽滤，洗去甲苯，将收集的粉末放入烘箱中烘干至恒重。

(3)亚氯酸钠处理。采用1.4 wt% NaClO2在酸性条件下(pH为4～5，冰醋酸调节)处理DWR，70 ℃下处理5 h，制得水稻秸秆综纤维素(rice straw holocellulose，记为RSH)，用去离子水洗抽滤，并烘干至恒重。

(4)氢氧化钾处理。将RSH粉末在5 wt% KOH溶液中室温浸泡4 h，然后在90 ℃下处理2 h；之后利用抽滤装置对粉末进行水洗抽滤，直至滤液呈中性，放入烘箱烘干至恒重，制得水稻秸秆纯化纤维素(rice straw cellulose，记为RSC)。

1.3 纤维素纳米纤丝(CNFs)的制备

(1)称取干重为1 g水稻秸秆纯化纤维素，加入100 ml去离子水，在磁力搅拌器上以500 rpm的转速搅拌分散10 min，形成浓度为1 wt%的浆料。

(2)依次加入0.1 g NaBr和0.016 g TEMPO，逐滴加入20 mL活性氯含量为5.2%的NaClO溶液，并使用0.5M HCl溶液调节pH至10.5～11之间。

(3)随着氧化反应的进行，pH下降；使用0.5M NaOH 溶液调节pH处于10±0.2；当反应体系的pH值在10±0.2范围内，并且pH的变化值在15 min内保持±0.01时，反应结束；整个反应持续3 h，加入5 ml无水乙醇使反应彻底停止。

(4)以5000 rpm转速离心处理10 min，倒去上清液，离心3～4次直至溶液pH至中性；收集离心管中的沉淀浆料，装入MW=14000的透析袋中，放入去离子水中透析3天。

(5)使用超声波细胞粉碎机(变幅杆直径为6 mm，最大功率为900 W)对浆料进行进一步机械处理，设置功率为50 %，分别超声处理30 min、60 min、90 min，而后再以5000 rpm转速离心处理5 min，分离下层纤维素沉淀残渣，收集上层悬浮液，置于4 ℃冰箱储存备用。

1.4 性能测试与表征

采用Spectrum Two型傅里叶变换红外光谱仪对试样的化学组分进行测试，扫描范围为400cm-1～4000cm-1，分辨率为4 cm-1。

采用Nano ZS 型纳米粒度与电位分析仪，测定超声波处理前后样品的Zeta电位，每个样品测试3次，取平均值。

取1mL浓度为0.5 wt%CNFs悬浮液，加去离子水稀释至0.01 wt%，取20 μL滴到铜网上，采用JEM-2100型透射电子显微镜观察，加速电压为80kV～200 kV，放大倍数为50～1500000；采用ImageJ软件对TEM照片进行分析处理。

采用D/MAX-2550PC型X射线衍射仪对样品进行结晶度测定，以CuKα射线(λ=1.5406 Å)，管压40 kV，管流200 mA，扫描范围为5°～60°，扫描速度为3°/min，按公式(1)计算结晶度：

(1)

式中，I200为结晶区的衍射强度，Iam为非结晶区的散射强度。

取3mg～5mg样品，采用TGA 4000型热重分析仪测定其热稳定性，设置测定温度为30℃～700℃，升温速率为10 ℃/min，采用氮气氛围，流量为19.8 ml/min。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

水稻秸秆纯化纤维素及CNFs制备过程中各产物的FTIR谱图如图1所示。

图1 (a)水稻秸秆原料、(b)抽提后的水稻秸秆、(c)综纤维素、(d)纯化纤维素、(e)纤维素纳米纤丝的FTIR谱图

由图1可见，5个谱图中均有纤维素特征峰，说明TEMPO氧化体系和超声波处理均未改变水稻秸秆中的纤维素结构。此外，由于在纤维素、半纤维素、木质素中都存在-OH、-CH，因此5个谱图在3333 cm-1和2893 cm-1处均出现了特征峰。

水稻秸秆原料RAW与苯醇抽提处理后的水稻秸秆DWR谱图没有明显区别，这说明脂蜡质、色素等微量物质对FTIR谱图没有显著影响；经NaClO2处理后的综纤维素RSH谱图中，表征木质素中C=O的伸缩振动峰(1242 cm-1)、-CH2的-CH弯曲振动峰(1452 cm-1)，以及木质素中苯环的碳骨架伸缩振动峰(1510 cm-1)均明显减弱，表明水稻秸秆中的大部分木质素已被脱去；经KOH处理后的纯化纤维素RSC谱图中，表征半纤维素中木聚糖乙酰基(CH3C=O)上的非共轭羰基(C=O)伸缩振动峰(1732 cm-1)基本消失，表明半纤维素被除去。从FTIR分析中可以得出，水稻秸秆原料在化学处理过程中，大部分的木质素和半纤维素已经被脱除，说明了化学处理的有效性。

在5个谱图中，1640 cm-1处均出现明显的吸收峰，这是纤维素表面带有的大量亲水性基团产生的吸附水的O-H弯曲振动峰，而在CNFs谱图上1612 cm-1处有明显的吸收峰，这可能是由于1640 cm-1处吸附水的O-H弯曲振动峰与1610cm-1处羧酸钠中羧基上的C=O伸缩振动峰不对称重叠导致的，说明TEMPO氧化体系可将纤维素上的伯羟基有效氧化为羧基。

2.2 Zeta电位

CNFs悬浮液的形貌如图2所示。未经超声波处理的纤维素悬浮液离心后的上清液澄清透明， CNFs含量很低，说明仅采用TEMPO氧化体系处理时开纤效果较差，大部分纤维素仍未达到纳米尺寸；而经过超声波处理后，上清液呈现胶体悬浮液状态，CNFs含量显著增加，且放置一周后未有明显沉淀产生，说明TEMPO氧化体系协同超声波处理能够显著提高CNFs的制成率。

图2 经超声处理(a)0 min、(b)30 min、(c)60 min、(d)90 min的CNFs悬浮液宏观形貌图

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标。不同超声处理时间得到的CNFs悬浮液的Zeta电位如表1所示。

表1 CNFs悬浮液的Zeta电位

从表1可知，CNFs悬浮液的Zeta电位绝对值随着超声时间的增加而增大。一般认为悬浮液的Zeta电位绝对值大于30 mV，表明体系均一稳定，且Zeta电位绝对值越大，体系越稳定[14]。经过超声30 min处理后，悬浮液的Zeta电位绝对值从47.7 mV增加60.9 mV，体系稳定性增强。究其原因，经TEMPO氧化体系处理后，纤维素C6位上的羟基被氧化为羧基，表面的负电位明显提高，CNFs之间的电斥力增强，进而降低彼此间的相互吸引力。TEMPO氧化体系可以通过破坏纤维间的氢键或引起静电排斥提高纳米纤维素的分散度，超声波处理使纤维素开纤程度进一步增加，体系稳定性相应增强。

虽然超声波处理60 min、90 min得到的悬浮液的Zeta电位更高，但超声波能耗高，且超声时局部发烫严重，超过30 min后纤维素易被炭化，悬浮液中会出现黑色炭化杂质，产率明显降低。因此，综合考虑产率和能耗的因素，水稻秸秆纯化纤维素经TEMPO氧化体系协同超声波处理30 min制备CNFs较好。

2.3 TEM形貌分析

经TEMPO氧化体系处理、超声波处理30 min得到的CNFs的TEM照片及其直径分布如图 3所示。

图3 (a)水稻秸秆纤维素纳米纤丝的TEM照片、(b)直径分布图

从图3中可以看到，经TEMPO氧化体系协同超声波处理后的CNFs呈单根纤丝状，其长径比较大，直径分布在5nm～40nm之间，多集中在10nm～25nm之间，平均直径为16.11 nm。

2.4 XRD分析

图4所示的是水稻秸秆原料、纯化纤维素、纳米纤维素的XRD谱图。

图4 (a) 纤维素纳米纤丝、(b)纯化纤维素、(c) 水稻秸秆原料的XRD谱图

从图4可看出，3个样品的衍射峰位置基本保持一致，在 16.5°和22.7°处出现两个较强衍射峰，分别对应于纤维素110和200晶面，是典型的纤维素I型结构，说明在化学及机械处理过程中，水稻秸秆纤维素晶体的内部晶型结构并未受到破坏。计算得到水稻秸秆原料RAW、纯化纤维素RSC及CNFs的结晶度分别为：29.15 %、42.40 %、52.63%。由于RAW经过苯醇抽提、NaClO2、KOH等化学处理，非晶态的脂蜡质、木质素和半纤维素等物质被逐步去除。因此，RSC结晶度明显提高。再经TEMPO氧化体系、超声波处理后，RSC中的非结晶部分被进一步去除，CNFs的结晶度从42.40 %提高到52.63 %。

2.5 TGA分析

水稻秸秆原料、纯化纤维素、纳米纤维素的TGA结果如图5所示。

图5 (a)水稻秸秆原料、(b)纯化纤维素、(c)纤维素纳米纤丝的TGA-DTG曲线

在升温开始阶段，随着样品中自由水和结合水被蒸发，所有样品均出现轻微质量损失。从TGA、DTG曲线可知， CNFs开始降解的温度约为280℃，低于纯化纤维素RSC(346 ℃)而略高于水稻秸秆原料RAW(255 ℃)，最大热解峰值为330 ℃，对应于RSC、RAW分别为367 ℃、320 ℃。同时，在RAW的DTG主峰旁边有一个肩峰，这是由于木质素、半纤维素等杂质的存在造成的质量损失。随着RSC纯度的提高，DTG主峰变得又窄又尖，起始降解温度和最大热解峰值随之增加，热稳定性不断提高。CNFs的起始降解温度较低，可能是由于CNFs与宏观纤维素相比，其更小的纤维尺寸(16.11nm)导致有较高的比表面积暴露在热环境中，导致其开始降解的温度较低。另一方面TEMPO氧化体系将纤维素C6位上的-OH氧化为-COOH，表面-COOH官能团脱羧过程中直接发生固-气相转变，导致其降解温度较低。CNFs的热稳定性相较RSC有所下降，与未处理的RAW的热稳定性较相近。RAW和CNFs在700℃的残留率分别为25.42 %和24.49 %，而RSC的残留率为13.13 %。这部分残留的物质是纤维素热分解形成的炭和其他产物。因为羧基在较低温下更容易发生脱羧反应，因此CNFs较RSC产生了更多的炭残留物。

3 结论

FTIR分析表明，经过化学处理，水稻秸秆原料中的脂蜡质、木质素、半纤维素被有效去除，同时TEMPO氧化体系可将纤维素大分子中的伯羟基有效氧化为羧基；Zeta电位测试、TEM观察表明，TEMPO氧化后的纤维素经过450 W超声处理30min，可得到分散稳定、平均直径为16.11 nm的CNFs悬浮液；制得的纯化纤维素、CNFs仍保持纤维素I晶型，结晶度有明显提高，分别达到42.40%、52.63%；水稻秸秆纯化纤维素、CNFs具有较高的热降解温度，经700 ℃的热处理，纯化纤维素和CNFs的质量损失率分别为13.13 %和24.49 %。