硫酸水解辅助高压均质法制备小麦秸秆纳米纤维素

祁明辉 易 锬 莫 琪 邓景纯 张金兰 黄丽婕，* 黄崇杏 刘 杨 赵 辉 王双飞

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004；2.广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西南宁，530004）

随着经济的快速发展，作为支撑经济发展的重要资源——石油资源也日渐枯竭［1］；同时各种石油基产品的大量使用也对环境造成了较大污染。纤维素作为自然界中存量最丰富的可再生有机高分子资源，在众多领域得到了较为广泛的应用。近年来，进一步有效利用纤维素资源，特别是纤维素资源的精细化应用更是成为国内外研究的热点［2-5］。目前，大部分纤维素大多从棉花、木材等资源中提取，原料成本较高。作为农业大国，我国农作物秸秆年产量近9亿t［6］，其中，70%的农作物秸秆被焚烧，得不到充分利用；而农作物秸秆中含有较为丰富的纤维素，其中，小麦秸秆含有47%纤维素、22%半纤维素、24%木质素和7%杂质［7］，如果能将其进行有效利用，将会使农作物秸秆的商业价值大幅提升。纤维素是由D-吡喃葡萄糖环结构单元以β-1，4糖苷键、C1椅式构象连接而成的线性高分子［8-9］，其结构式如图1所示。

图1 纤维素的化学结构式

纳米纤维素（NC）是指至少有一维空间尺寸在纳米尺度（1～100 nm）内的纤维素［10］，主要分为以下两种。一种是纤维素纳米晶（CNC），也叫纳米微晶纤维素（NCC），或纤维素纳米晶须（CNW）；CNC一般为棒状，但在某些特定制备条件下也可以得到球形CNC。另一种纳米纤维素是纤维素纳米纤丝（CNF），也叫纳米纤丝化纤维素（NFC），CNF为纤维状［11］。与纤维素相比，纳米纤维素具有高纯度、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、高强度、高比表面积、高长径比、超精细结构和高透明性等，是一种极具发展潜力的新型纳米材料［12］。因此，如果能以农作物秸秆代替棉花、木材等原料制备纳米纤维素，则可使农作物秸秆得到高值化利用。

纤维素的超分子结构是由结晶区和无定形区交错结合的体系［13］。通常采用化学方法或物理和化学相结合的方法对纤维素的无定形区进行破坏，最终制得结晶度高的纳米纤维素。目前，纳米纤维素的主流制备方法包括硫酸水解法、TEMPO氧化法和各种预处理联合机械法［14-15］。硫酸水解法是利用硫酸破坏纤维素的无定形区，但该方法污染大、得率低；且用硫酸水解制备纳米纤维素是一个突变的过程。在这一过程中，纤维素的聚合度骤然降低，磺化及CNC产生也都是瞬时发生的［16-17］，因此，该过程难以控制且制备条件较难优化。因此，许多研究者对硫酸水解制备CNC的方法进行了改进。Tang等［18］采用低强度超声波辅助硫酸水解法制备NCC，该方法的得率较完全硫酸水解法有所提高；李金玲等［19］使用硫酸铜催化水解制备CNW发现，利用硫酸铜可以缩短反应时间、提高反应效率和得率，并可减小CNW的直径；Wang等［20］从反应动力学角度阐释了CNC得率与硫酸浓度的关系，从而改进了硫酸水解制备CNC的实验条件。

物理机械法通常是利用高强度的冲击力、剪切力使纤维素纤维解纤、断裂，从而制备纳米纤维素；物理机械法制备得到的纳米纤维素为CNF；与CNC相比，CNF容易卷曲、联结，结晶度较低［21］，制备能耗高，且容易堵塞管道［22］。

本课题采用硫酸对小麦秸秆纤维素进行水解，将水解产物分层后得到上清液纳米纤维素（CNC-SL）；采用微射流均质技术对分层得到的硫酸水解残余纤维固体（CNC-S）进一步处理制备得到纳米纤维素（CNC-SP）；并对两种CNC的结构、形貌、结晶度和热稳定性进行了表征和分析。

1 实验

1.1实验材料

小麦秸秆纤维素（WSC），纯度为98.5%，合肥巴斯夫生物科技有限公司；硫酸，分析纯，成都市科隆化学品有限公司；硫酸铜，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；磷钨酸，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

1.2实验仪器

分析天平，BSA224S，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；电热鼓风干燥箱，101-1，北京科伟永兴仪器有限公司；工业pH/ORP计，PHG-21D，上海精密科学仪器有限公司；水浴磁力搅拌器，SYG-6A，金坛区华城誉仁实验仪器厂；纳米粒度分析仪，ZS90X，英国马尔文公司；透射电子显微镜（TEM），HT7700，日立高新技术公司；原子力显微镜（AFM），5100N，日立高新技术公司；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），TENSOR II，德国BRUKER公司；X射线衍射仪（XRD），MiniFlex600，日本株式会社理学；热重分析仪（TGA），TGA55，美国TA仪器公司；高压微射流均质机，M-110EH30，美国微流体国际公司。

1.3实验方法

1.3.1纤维素的硫酸水解预处理

配制64 wt%的硫酸溶液并将其置于冰水浴中冷却，冷却后加入10 g WSC，搅拌浸润后置于水浴磁力搅拌器中，在45℃下搅拌90 min，随后加入900 mL去离子水终止反应。

1.3.2纤维素的高压均质处理

将经过硫酸水解预处理的纤维素重复离心处理，转速为7000 r/min，时间为30 min，直至上层液变澄清，收集CNC-SL和CNC-S。将CNC-SL悬浮液置于透析袋中，用去离子水透析直至透析液pH值为中性；继续离心CNC-S使其pH值为6～7；使用高压微射流均质机处理CNC-S制备CNC-SP，均质压力设定为150 MPa，样品均质次数为8次。

1.3.3CNC得率

将所得样品放入烘箱中，在50℃下干燥48 h并称量，相同条件下平行测定3次取平均值。

1.3.4粒径检测

将样品稀释至浓度为0.005 wt%，超声处理60 min，超声功率650 W，随后用马尔文纳米粒度分析仪进行检测分析。

1.3.5TEM分析

配制浓度为0.01 wt%的纳米纤维素悬浮液，磁力搅拌5 h，随后超声处理30 min，超声功率650 W，用移液枪吸取1μL分散液滴在200目铜网上，让液滴覆盖整个铜网，静置12 h，等待铜网上的水分全部挥发。然后取少量磷钨酸染色剂滴到铜网上，负染10～20 min，用滤纸吸走多余的液体，并将样品放置在样品台上，避光条件下自然干燥，然后用TEM观察样品；设置TEM加速电压为100 kV。

1.3.6AFM分析

配制浓度为0.01 wt%的纳米纤维素悬浮液，磁力搅拌5 h，用移液枪吸取1μL纳米纤维素悬浮液滴在洁净硅片上，室温下风干，然后用AFM进行观测，测试频率为0.55 Hz，悬臂弹性常数为26 N/m，选择轻敲模式进行测试。

1.3.7FT-IR分析

将样品粉碎过200目筛，然后放于50℃烘箱干燥12 h。准确称取2 mg样品与200 mg干燥的溴化钾粉末并混合，在玛瑙研钵中精细研磨后，使用压片机（35～40 MPa）压制厚度约为0.5 mm的透明薄片进行FT-IR检测。设置分辨率为4 cm-1，扫描范围为400～4000 cm-1。

1.3.8XRD分析

测试前将样品粉碎过100目筛，然后放于50℃烘箱干燥8 h。在室温下使用XRD测定样品的结晶度，设置扫描范围2θ=10°～60°，扫描速度为5°/min，样品的结晶度指数按式（1）计算［23］。

式中，CrI为结晶度指数；I002为纤维素002晶面衍射强度，即结晶区的衍射强度；Iam为纤维素在2θ=18.0°处的衍射强度，即无定形区的衍射强度。

1.3.9TGA分析

对样品进行热失重分析，测定样品的热稳定性。在测试前，将样品粉碎过100目筛，然后置于50℃烘箱干燥8 h。测试气体环境为N2，气体流速为20 mL/min，升温速度为10℃/min，温度范围为30℃～700℃［24］。

2 结果与分析

2.1CNC形态特征

图2分别为CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的宏观照片。由图2（a）可知，CNC-SL悬浮液为浅蓝色透明胶体，这与Casillas等［25］的观测结果相符；图2（b）则表明小麦秸秆纤维素硫酸水解后的残余纤维固体颗粒较大、分散不均匀；图2（c）表明经过高压微射流均质机处理后的CNC-S（CNCSP）可以较好地分散于溶液中，同样为浅蓝色透明胶体。

图2 CNC-SL（a）、CNC-S（b）、CNC-SP（c）的宏观照片

2.2得率分析

经称量分析计算得，CNC-SL质量为2.1746 g，CNC-SP质量为3.9115 g，因此，WSC制备CNC的得率为60.9%。段敏等［26］采用传统硫酸水解方法制备CNC的最高得率为21.3%；由此可见，本课题方法制备CNC的得率明显高于传统硫酸水解方法。

2.3粒径分析

利用马尔文纳米粒度分析仪检测CNC的粒径分布范围，结果如图3所示。由图3可知，CNC-SL的粒径分布较为集中，仅在247.1 nm处有一个峰值，其平均粒径为185.1 nm；CNC-S有2个明显峰值，分别为311.8 nm（93.2%）和4920 nm（6.8%），其平均粒径为267.0 nm；CNC-SP有3个峰值，分别为301.7 nm（63.3%）、70.60 nm（33.3%）和5416 nm（3.4%），平均粒径为181.3 nm。经均质处理后，CNC-SP的平均粒径较CNC-S的明显减小。

图3 CNC-SL、CNC-S和CNC-SP粒径分布图

2.4TEM分析

CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的TEM图如图4所示。由图4（a）可知，CNC-SL呈棒状结构，分布较均匀，直径约为15 nm；CNC-S中存在较多尺寸较大的纤维，纤维边缘已经发生水解但水解程度不足，因此无法达到纳米级别（见图4（b））；图4（c）表明CNC-S经均质处理后得到的CNC-SP已达到纳米级别，其直径大多为约15 nm，呈短棒状结构，这与Wang等［16］通过均质处理纤维素酸解木质纤维素固体残渣的观测结果相符。将CNC-S均质化处理8次，利用剪切力和冲击力，有效促进了纤维素纤维的原纤化［27-28］，从而将未彻底水解的大尺寸纤维分解为粒径更小的CNC。由图4（a）和图4（c）还可以看出，制备得到的CNC-SL和CNC-SP的分散性较好。

图4 CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的TEM图

2.5AFM分析

WSC经硫酸水解和均质化处理后得到的CNC-SL和CNC-SP的AFM图如图5所示。从图5可以看出，经不同制备工艺得到的CNC-SL和CNC-SP均呈短棒状结构，长度约为100～200 nm，粒径分布较均匀、分散性较好，与TEM的观察结果相符。

2.6FT-IR分析

图6分别为WSC、CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的FT-IR谱图。由图6可知，WSC、CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的FT-IR谱图无明显差异，说明硫酸水解预处理和均质化处理对纤维素结构无明显影响。其中，3414 cm-1处的吸收峰为纤维素分子内—OH的伸缩振动峰，表明纤维素及纳米纤维素中存在大量分子内和分子间氢键，这些氢键在缔合作用下相互叠加形成了分布范围较宽的吸收峰；2905 cm-1处的吸收峰为—CH2—中C—H键的伸缩振动吸收峰；1637 cm-1处的吸收峰主要和纤维素中亲水基团吸水后形成—OH基团的弯曲振动有关；1318 cm-1处的吸收峰主要和纤维素中C—H键的弯曲振动有关。

图5 CNC-SL和CNC-SP的AFM图

图6 WSC、CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的FT-IR谱图

将900～1600 cm-1处的FT-IR谱图放大后发现，在1160 cm-1处出现不对称C—O—C的伸缩振动吸收峰，表明硫酸水解和均质化处理后得到的CNC仍为Iβ型晶体结构；1060 cm-1处的吸收峰和C6位上C—O键的伸缩振动有关［24］。

2.7XRD分析

图7分别为WSC、CNC-SP、CNC-S和CNC-SL的XRD谱图。由图7可知，WSC、CNC-SP、CNC-S和CNC-SL的XRD谱图在2θ=16.2°、22°和34.6°处出现3个主要的衍射峰，分别对应于纤维素的（110）（200）和（004）晶面，表明本课题中WSC及相应制备得到的纳米纤维素晶型均为Iβ型［24］。计算得到，WSC的结晶度为48.61%，CNC-S的结晶度为70.33%，CNC-SP的结晶度为67.99%，CNC-SL的结晶度为71.87%。与原材料WSC相比，经硫酸水解处理后得到的CNC-SL、CNC-S和均质处理得到的CNCSP的结晶度均提高了约20%，与其他研究中得到的结果相符合［26，29］。

2.8TGA分析

图7 WSC（a）、CNC-SP（b）、CNC-S（c）和CNC-SL（d）的XRD谱图

对WSC、CNC-SL、CNC-S和CNC-SP进行热稳定性检测，结果如图8所示。由图8可知，各样品的热分解过程均分为3个阶段。第一阶段（25～150℃），各样品的质量损失均约为10%，主要是因为样品中水分的蒸发。第二阶段（150～400℃），主要是纤维素的热降解阶段，包括葡萄糖分子链的解聚、脱水和分解，最终形成碳化残留物；其中，温度为150～240℃时，质量损失主要为纤维素大分子中某些葡萄糖单元C2位上醇羟基的脱除，温度为240～400℃时，质量损失主要为纤维素大分子中某些葡萄糖单元C4位上醇羟基的脱除和糖苷键的断裂［30］。第三阶段（温度大于400℃），碳化残留物氧化分解为低分子量的气体产物，残余部分被芳环化，并逐步形成石墨结构［31］。在275～375℃温度范围内，DTG曲线上出现一个极大值（绝对值），此时对应的温度为最大质量损失温度（Tmax）。

对比CNC与WCS的曲线可以发现，CNC的热降解初始温度（T0=150℃）和最大质量损失温度（Tmax=198℃）均低于WSC的热降解初始温度（T0=255℃）和最大质量损失温度（Tmax=335℃）。这主要是因为，CNC的高比表面积增加了其暴露于热降解体系中的面积且磺酸基团的引入降低了CNC热降解所需的活化能，使得热降解能够在更低的温度下进行［32-33］，这与陈理恒［34］使用硫酸水解制备CNC的实验结果相近。CNC-SP的热稳定性与CNC-SL相似。

图8 WSC、CNC-SL、CNC-S和CNC-SP的TGA（a）和DTG（b）曲线图

3 结论

以小麦秸秆纤维素（WSC）为原料，通过硫酸水解辅助高压均质的方法，分层制备小麦秸秆纳米纤维素（CNC）。WSC经硫酸水解，通过离心进行分层得到上层清液纳米纤维素（CNC-SL），将硫酸水解残余纤维固体（CNC-S）在150 MPa的条件下均质化处理8次制备纳米纤维素（CNC-SP），并采用马尔文纳米粒度分析仪、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）和热重分析仪（TGA）对CNC进行表征分析，主要结论如下。

3.1此制备方法提高了CNC的得率；与完全机械均质化方法制备CNC相比，本课题采用的方法可使均质次数明显降低。

3.2制备得到的CNC-SL和CNC-SP均为纳米纤维素晶须，长度分布在100～200 nm，直径约为15 nm，分布较为均匀；CNC-SL和CNC-SP的结晶度分别为71.87%和67.99%，比原材料（48.61%）提高了约20%。

3.3经硫酸水解后，纳米纤维素分子中引入了磺酸基团，且由于制备得到的CNC具有高比表面积，使得CNC-SL和CNC-SP的热稳定性降低；与WSC相比，其热初始降解温度降低至约150℃。FT-IR分析表明，经硫酸水解和均质处理后，与WSC相比，CNC的结构并未发生变化，仍为Iβ型晶体结构。