竹基纳米纤维素晶体稳定的Pickering乳液制备及其形态和稳定性研究

戴晓婧， 覃柳琪， 张杉杉， 陆巽珏， 王博华， 吴 强*

（1. 浙江省竹资源与高效利用协同创新中心，浙江 临安 311300；2. 浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300）

Pickering乳液是由固体粒子作为稳定剂构成的乳液[1]，相对于传统表面活性剂构成的乳液，具有更高的稳定性和相对低的毒性[2]。Binks[3]研究指出，固体颗粒在油-水界面产生的吸附不可逆转，而在一定的时间范围内，表面活性剂的吸附和解吸速度相对较快。因此，与传统表面活性剂稳定的乳液相比，Pickering 乳液具有更高的稳定性，可广泛应用于医药、农业、食品和化妆品等领域[4]。研究人员就各种粒子开展了广泛的研究，这些粒子包括二氧化硅、粘土、羟基磷灰石、淀粉晶体、纳米纤维素等[5]。相对于无机粒子，生物质粒子具有更好的生物相容性、可降解性[6]，在生物医药领域具有广阔的应用空间。

纳米纤维素包括纳米纤维素纤丝（CNF）和纳米纤维素晶体（CNC）等，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注[7]。CNC一般通过酸解制备，是直径在5～20 nm，长度100～1 000 nm的棒状晶体，具有高强度（7 GPa）、低热膨胀系数（10-7K-1）、高长径比、低密度、可再生、可生物降解等优点[8]。已有研究表明，CNC可用于制备Pickering乳液，胡盼盼等[9]通过酸解法制备了剑麻基CNC，采用手摇和超声乳化的方式制备了环氧丙烷（EPC）/水型Pickering乳液，考察了Pickering乳液的制备工艺；王曼等[10]通过碱水解麦麸原料制备CNC，采用超声法制备了大豆油/水型Pickering乳液，并考察了pH值的影响；Wang等[11]以芦笋茎为原料通过酸解法制备CNC，再采用先超声后离心的方法制备棕榈油/水型乳液，考察了CNC的酸解工艺对乳液稳定性的影响。由于CNC具有原料天然、生物相容性好、可降解等特点，所得Pickering乳液在药物载体、组织工程材料等方面具有潜在应用价值。

浙江省具有丰富的竹子资源，但是竹制品加工会产生大量的废弃物，竹材废弃物中有较高含量的纤维素，从竹材中分离出纳米纤维素晶体，将为纳米纤维素的利用提供一种新的原料途径[12]。作者曾采用硫酸酸解法成功制备了竹基 CNC，从竹材废弃物中获得竹基 CNC的产率可达 35%[13]。目前，未见关于竹基CNC用于制备Pickering乳液的相关报道。因此，为高效利用竹材废弃物，本实验采用硫酸酸解竹材剩余物制备CNC，再采用竹基CNC作为固体粒子来制备稳定的十二烷/水型Pickering乳液，系统考察超声乳化时间、CNC浓度及油水比等因素对CNC稳定Pickering乳液的微观形态和稳定性的影响规律，探索竹基CNC稳定Pickering乳液的稳定机理。

1 实验

1.1 试剂和仪器

竹基纤维素，自制，具体制备流程参照之前工作[13]；浓硫酸，西陇化工股份有限公司；十二烷（C12H26），阿拉丁试剂有限公司；透析袋，MD44，截留分子8 000～14 000 g/mol，Solarbio。

微型植物试样粉碎机，FZ102型，上海科恒实业发展有限公司；台式高速离心机，TG1650-WS型，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；超声波细胞粉碎机，JY98-111D型，南京新辰生物科技有限公司；旋涡混合器，VORTEX-5型，海门市其林贝尔仪器制造有限公司；Zeta电位及粒度分析仪，ZetaPALS，美国Brookhaven公司；光学显微镜，ECLIPSE LV100ND型，NIKON公司。

1.2 样品制备

1.2.1竹基纳米纤维素晶体（CNC）的制备

称取20 g竹纤维素粉末并置于270 mL、64%（wt）硫酸溶液中，在45℃的集热式恒温加热磁力搅拌器中搅拌1小时，竹纤维素酸解为CNC，用10倍的去离子水稀释，在离心机中以400 g的相对离心力离心10分钟后，再洗涤，重复离心、洗涤2～3次以除去悬浮液中的大量酸，得到弱酸性CNC悬浮液，然后将弱酸性胶体透析至中性，最后用超声波粉碎机（400 W）处理3分钟，获得竹CNC悬浮液。

1.2.2 CNC 稳定的Pickering乳液的制备

首先，将CNC悬浮液、去离子水和十二烷按照一定比例混合，超声（1 200 W）处理3～15 min，得到Pickering乳液；为更好地观察形成的乳液体积与Pickering乳液的稳定性，将超声得到Pickering乳液离心处理[11,14]（4 000 g，2 min），得到如图1所示的三层结构，从下往上依次为CNC悬浮液、Pickering乳液和十二烷，对于 CNC浓度较高的体系，未出现油相。采用稀释法来判断乳液类型，取少量乳液分别滴入水和十二烷中（见图 2左和右），手摇振动，发现乳液层可均匀分散在水中，而在油相中无法分散，可知该Pickering乳液为O/W型。

图1 乳液三层结构示意图

图2 稀释法判定乳液类型（左：分散相为水，右：分散相为十二烷）

1.3 表征

1.3.1 TEM 表征

通过透射电子显微镜（TEM）观察CNC的形态，使用滴管测量数量为0.05%（wt）的竹制悬浮液，滴1滴在电镜铜网上，用2%（wt）醋酸双氧铀染色。经过2 min的干燥后，可作为TEM观察样品，随后通过电子显微镜观察。

1.3.2乳液尺寸测试

通过光学显微镜观察乳液液滴尺寸，取30 μL离心后的Pickering乳液，稀释50倍后在旋涡混合器上混合得到均匀分散液，再取该分散液10 μL滴在载玻片上通过显微镜观察并统计液滴尺寸。

1.3.3 Zeta 电位测试

Zeta电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。Zeta电位的绝对值越高，体系越稳定。测试过程中，取10 μL乳液层的乳液，加入900 μL的去离子水，通过旋涡混合器上混合均匀，采用Zeta PALS的Zeta电位测试模式表征乳液的稳定性。

1.3.4稳定性测试

根据Kalashnikova等[14]提出的方法对Pickering乳液稳定性进行表征，先将Pickering乳液置于透明的离心管，在4 000 g条件下离心2 min，然后，在不同时间测量离心后乳液层的厚度和液滴尺寸，考察储存时间对乳液层厚度和液滴尺寸的影响。

1.3.5粒径分析

取10 μL乳液层的乳液，加入2 mL的去离子水，通过旋涡混合器混合均匀，采用ZetaPALS的粒度测试系统表征乳液液滴尺寸，测试条件：25℃，持续时间2 min，测试3次。

2 结果与讨论

2.1 CNC 的形态

图 3给出了竹基CNC的透射电子显微镜照片，从图 3可以看出，CNC在水溶液中分散性良好，这是由于CNC酸水解之后，其表面含有一定量的磺酸根离子。统计结果显示CNC的长度约为150～200 mm，直径约为5～15 nm左右，可以看出 CNC具有一定长径比的棒状结构。

图3 竹基CNC的TEM照片

2.2 超声时间对Pickering乳液液滴尺寸和稳定性的影响

图4给出了超声乳化时间分别为3、5、7、10和15 min，CNC稳定的十二烷／水（3/7）Pickering乳液液滴的显微镜照片。从图 4可以看出，不同超声时间处理所形成的乳液液滴均匀分散在水中，尺寸有一定分布。图 5a给出了不同超声时间下 Pickering乳液液滴的统计尺寸，发现平均尺寸均在 8 μm附近，表明超声时间对Pickering乳液液滴尺寸的影响较小。图5b给出了超声时间对Pickering乳液Zeta电位的影响，发现各体系的Zeta电位为负，这是由于CNC表面带负电所致；且Zeta电位都在－30～－40 mV，表明Pickering乳液体系稳定。这表明当CNC浓度、水和油的体积一定时，超声时间对Pickering 乳液的形态和稳定性不产生显著影响。图6给出了超声时间3 min的Pickering乳液液滴的粒径分析结果，粒径分析给出了两个尺寸，分别是和7.5±1.5 μm，其中200±30 nm对应为CNC的尺寸，而7.5±1.5 μm对应于乳液液滴尺寸，这与图5a光学显微镜对乳液液滴的尺寸统计结果一致。

图4 不同超声时间制备的Pickering乳液的显微镜照片

图5 不同超声时间制备的Pickering乳液（a）液滴平均尺寸和（b）Zeta电位

图6 超声3 min所得Pickering乳液粒度分析

2.3 CNC 浓度对Pickering乳液液滴尺寸和稳定性的影响

图7是不同浓度的CNC水分散液和十二烷在同样超声时间下混合乳化形成的Pickering乳液照片，十二烷/水比为3/7。固体颗粒是通过包裹在乳滴表面，阻碍液滴直接的相互碰撞，从而起到稳定乳滴的作用，因而要达到一定的CNC浓度，才能阻止生成的乳液出现分层、凝聚现象，以得到稳定性较好的乳液[9]。实验采用的CNC浓度分别为0.002、0.004、0.006、0.008和0.010 g/mL。将上述不同浓度的CNC水分散液分别与一定量的十二烷混合，经过超声乳化处理3 min，得到稳定的Pickering乳液。

图7 CNC浓度对Pickering乳液液滴形态的影响

从图7可以明显看出，随着CNC浓度增大，所形成的Pickering乳液液滴平均尺寸降低。图8a给出了不同浓度的CNC制备的Pickering乳液的液滴尺寸，发现随着CNC浓度升高，乳液液滴尺寸从10 μm降至3 μm左右。这是因为Pickering乳液中油相和水相比例保持不变，CNC浓度上升，用于覆盖油相液滴表面的CNC数量增加，根据表面张力原理，可以形成更多更小尺寸的乳液液滴。图8b给出了CNC浓度对所得Pickering乳液Zeta电位的影响，发现各Pickering乳液的Zeta电位均在－30 mV以下，表明各体系均较稳定。另外，随着CNC浓度的上升，Zeta电位绝对值出现了先上升后降低的变化趋势，上升的原因可能随着液滴尺寸的降低，单位液滴上的CNC比例增加，CNC表面带有负电荷，乳液液滴之间产生更多排斥所致；降低的原因可能是CNC到达一定浓度，产生电荷屏蔽所致。

图8 不同CNC浓度制备Pickering乳液的液滴平均尺寸（a）和Zeta电位（b）

2.4 油水比对Pickering乳液液滴尺寸和稳定性的影响

当油/水比过高时，通过超声乳化之后的十二烷与CNC水分散液很快出现明显的分压现象而不能形成稳定的乳化液[9]。本研究采用的油水比分别为1/9、2/8和3/7，把CNC水分散液与十二烷的混合物超声处理后获得的Pickering乳液在显微镜下观察。

图9 CNC浓度为0.002 g/mL稳定的不同油水比的Pickering乳液

图10 CNC浓度为0.006 g/mL稳定的不同油水比的Pickering乳液

图9和图10为CNC浓度为0.2%和0.6%稳定的不同油水比（1/9、2/8和3/7）的Pickering乳液的光学显微镜照片。图11给出了Pickering乳液液滴尺寸的统计结果，可以看出，随着CNC浓度上升，各Pickering乳液体系液滴的尺寸降低，这与上节的讨论结果一致；而当CNC浓度固定时，随着油/水比降低，乳液液滴平均尺寸减小，这主要是油相的增加，需要更多的 CNC去吸附，因此，油相越少，越容易形成液滴尺寸小的Pickering乳液。此外，从图11还可以发现，油水比为1/9和2/8时，当CNC含量达到0.008和0.01 g/mL，乳液液滴尺寸趋于平衡，在2 μm左右，这表明竹基CNC制备十二烷/水的Pickering乳液液滴极限尺寸为2 μm 左右。

图11 稳定的Pickering乳液的平均粒径统计

图12 不同浓度CNC稳定的Pickering乳液

2.5 放置时间对Pickering乳液稳定性的影响

图12为不同水油比稳定的Pickering乳液离心后的数码相片，由图可知，离心后乳液分层现象明显，其中，乳液层聚集在中间一层，上层的透明物质为十二烷，不同CNC浓度所得的Pickering乳液的乳液层厚度不同，CNC含量越高，乳液层厚度越厚。

图13a和b分别给出了随着储存时间的增长，所得乳液层的厚度和乳液液滴尺寸的变化，如图可知，经过30天，竹基CNC稳定的Pickering乳液的乳液层厚度和乳液液滴尺寸均未发生明显变化，这与Wang[11]和Kalashnikova[14]等的研究结果相同，表明竹基CNC制备的Pickering乳液经离心后所形成的三相体系中的乳液层可长时间保持不变。

图13 不同浓度的CNC稳定的Pickering乳液放置一定时间后乳液层的（a）厚度和（b）液滴尺寸统计结果

3 结论

竹材剩余物制备的CNC水分散液和十二烷混合、超声处理可成功制备水包油型 Pickering乳液，十二烷液滴表面吸附了CNC，进而阻止了乳液的分层、聚集等现象的发生。通过研究得出以下结论：1）超声时间不影响所得乳液的液滴尺寸和Zeta电位；2）随着CNC浓度增加，Pickering乳液液滴尺寸逐渐减小；3）随着油水比降低，Pickering乳液液滴尺寸逐渐减小；4）离心处理后，三相体系中的乳液层厚度与液滴尺寸不随放置时间而改变。