烟草秸秆纳米纤维素的制备及表征分析

郑坚强，刘 彬，王小飞，贾学伟，许春平

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2.河南卷烟工业烟草薄片有限公司，河南 许昌 461100)

作为世界上烟草种植总面积最大的国家，我国每年烟叶产量已经超过500万t[1]，产生烟草秸杆(TS)270万t以上。TS虽然含有丰富的木质纤维素但不易腐烂，不能用作动物饲料或农田肥料被利用，绝大部分都是当作废弃物被焚烧、填埋、丢弃处理(占85%)[2]，造成了生物质资源的严重浪费。宋丽丽等[3]研究发现,TS的主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，纤维素含量为38.39%，相对于玉米秸秆、稻草秸秆和小麦秸秆，具有较高的纤维素含量及较低的半纤维素含量，且生物转化效率高，说明TS中的纤维素具有高的利用价值。

纳米纤维素(Cellulose nanocrystal,CNC)是直径小于100 nm的超微细纤维，也是纤维素的最小物理结构单元[4]。CNC是一种高附加值产品，可以提高TS的利用价值，具有质量轻、密度低(约1.6 g/cm3)、强度性能优异、可生物降解的优点[5]，其表面具有丰富的羟基官能团[6]，易产生团聚现象，相较于微晶纤维素(Microcrystalline cellulose，MCC)具有更高的纯度、结晶度、亲水性、可及性、生物相容性和自组装特性[7]，可以用来制备功能性材料[8]。目前制备CNC主要有化学法(酸水解法等)、物理法(球磨法等)、生物法(酶法等)，以及两两结合的方法[9]。黄丽婕等[10]通过高压均质的方法制备并表征了木薯渣CNC，实现了木薯渣的高值化利用；罗苏芹等[11]通过硫酸法、过硫酸铵氧化法和酶解法制备并表征了菠萝皮渣CNC；孙海涛等[12]制备了玉米秸秆CNC。目前，国内外对TS利用的研究和报道都比较少，以其制备CNC的研究甚少，所以开展对TS处理的研究具有重要意义。CNC由于具有众多的优点，已成功制备出纳米功能性材料，例如气凝胶、生物医药材料、食品包装材料、纳米复合材料、光电材料等，大大提高了生物质纤维素的附加值和利用效率。张静等[13]采用溶液浇注法制备了聚乳酸/CNC纳米复合材料，显著提高了聚乳酸的拉伸强度；任素霞等[14]采用静电纺丝法制备了高过滤性CNC/聚丙烯腈复合空气滤膜，CNC的加入使得聚丙烯腈空气滤膜的疏水性能得到改善，且有效提高滤膜的强度。CNC也可以应用到造纸中，在抄造纸张过程中向浆料添加CNC能够改善纸张结构，增加纸张强度、挺度、紧度，降低纤维孔隙率，影响光的散射等。

WANG等[15]以TS为原料，通过亚硫酸氨预处理和甲酸预水解结合高压均质法制备了不同木质素含量的CNC，并对其进行了结构表征，但没有进行流变学行为表征。本研究以TS为原料，通过碱法蒸煮和亚氯酸钠漂白处理，除去TS中的木质素和半纤维素，后采用超声波辅助酸解法制备烟草秸秆纳米纤维素(TS-CNC)并对其进行结构表征、热重分析和流变学特性分析，对不含木质素的TS-CNC进行较为全面的表征，以期在后续研究中将制备的CNC应用于烟草薄片的制备，提高烟草薄片的品质，增加制备CNC的附加值。

1 材料和方法

1.1 材料、试剂和仪器

TS由河南中烟工业有限公司提供。

无水乙醇(≥99.7%，天津市富宇精细化工有限公司)、浓硫酸(95%～98%，开封市芳晶化学试剂有限公司)、氢氧化钠(≥96.0%，天津市大茂化学试剂厂)、冰乙酸(≥99.5%，天津市富宇精细化工有限公司)、亚氯酸钠(天津市大茂化学试剂厂)均为分析纯。

仪器包括高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)、布氏漏斗(韦斯实验设备有限公司)、DGX-9143电热恒温鼓风干燥箱(上海福玛实验设备有限公司)、TGL-16M离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)、TDZ5-WS离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)、超声波细胞破碎仪(上海皓庄仪器有限公司)、PL203电子分析天平(日本株式会社岛津制造所,感量0.000 1 g)、SHZ-D(Ⅲ)循环水式多用真空泵(河南省予华仪器有限公司)、MS-H280-Pro磁力搅拌器(北京大龙兴创实验仪器有限公司)、SB-33200DT超声波清洗机(宁波新芝生物科技股份有限公司)、SCIENTZ-10N冷冻干燥机(宁波新芝生物科技股份有限公司)、MD7044-5m普通透析袋(上海源叶生物科技有限公司)、JSM-7001FJSM-7001F场发射扫描电子显微镜(日本电子公司)、D8 Advance型X-射线衍射仪(德国布鲁克公司)、Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)(德国布鲁克公司)、STA449F3同步热分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司)、Discovery HR-1旋转流变仪(美国TA仪器公司)。

1.2 方法

1.2.1 TS-b制备 将TS原料干燥后剁至小块，放至万能粉碎机内粉碎，洗净烘干过筛；准确称取烘干的TS粉末5 g，加去离子水在70 ℃恒温下用磁力搅拌器搅拌，除去水溶性杂质，60 ℃烘箱中烘干，然后置于索氏提取器中，用200 mL无水乙醇溶液抽提6 h，去除脂质等；再与150 mL质量分数为10% NaOH溶液混合均匀后放置于磁力搅拌器上加热至80 ℃，500 r/min搅拌反应2 h，以除去半纤维素，用去离子水洗至中性(TS-a)[16-19]；加入亚氯酸钠进行漂白，用冰醋酸调节pH值为3～4，75 ℃水浴，1 h 1次，直至固体物质变为白色(大致3次)[18-20]，除去其中的色素和木质素，用布氏漏斗进行抽滤，去离子水洗涤至中性，放入烘箱中60 ℃烘干，得到纯化纤维素(TS-b)。

1.2.2 TS-CNC的制备 将烘干的TS-b称质量，加入64%H2SO4溶液(料液比1∶15，g∶mL)，在45 ℃下反应60 min，反应结束后加入5倍体积的蒸馏水终止反应，离心(4 000 r/min，10 min)数次，直到上清液变得浑浊，得到悬浊液；对得到的悬浊液进行高速离心(11 000 r/min，15 min)，弃去上清液，洗涤沉淀物，多次离心直至出现胶体状物质，加入少量去离子水将胶体物质溶出，得到淡蓝色的CNC悬浮液；将CNC悬浮液置于透析袋中，以去离子水为透析液透析数天，直到pH值不变(为中性)，除去溶液中的小分子物质如硫酸，亚氯酸钠，冰乙酸等。将所得的CNC悬浮液放于冰水浴中低温超声破碎10 min,超声条件为功率600 W，超声3 s间隙2 s，冷冻干燥得TS-CNC[16-20]。

1.3 性能表征

1.3.1 TS-CNC悬浮液初始固含量测定 CNC悬浮液的流变学特性表征与CNC悬浮液的固含量有关。取一定量的TS-CNC悬浮液加入干燥器中(干燥器质量为m0)，称量，记为m1,放入烘箱中于105 ℃下烘干至恒质量，取出后用分析天平称量，记为m2。TS-CNC悬浮液的固含量(ω)为：ω=(m2-m0)/(m1-m0)×100%[21]。称量3次，取平均值。

1.3.2 TS-CNC得率的计算 测量所得的TS-CNC悬浊液的总体积，用量筒准确量取20 mL CNC悬浊液于已称量过的干燥培养皿中，于烘箱中105 ℃烘干至恒质量，取出后放入室温冷却5 min，然后在电子天平上称质量。

得率=(M1-M2)V1/M3V2×100%

(1)

式中:M1为烘干后样品与培养皿的质量(g);M2为培养皿的质量(g);M3为原料的质量(g);V1为CNC悬浊液的总体积(mL);V2为移液管吸取CNC悬浊液的体积(mL)。

1.3.3 微观结构表征 使用普通生物显微镜观察TS-CNC宏观结构，使用场发射扫描电子显微镜(SEM)对TS-CNC微观结构形貌进行表征，扫描前对CNC膜表面进行喷金处理，加速电压为10 kV。

1.3.4 傅里叶变换红外光谱分析 将TS粉末和TS-CNC粉末分别与溴化钾(KBr)以1∶200(质量比)放入研钵中磨成粉，将研磨过的样品均匀撒至制片装置后，增压9～10 MPa保持1～2 min，制成均匀透明膜片测样。检测条件为谱区4 000～400 cm-1、采样速率80张/s、分辨率0.4 cm-1，得到傅里叶变换红外光谱图。

1.3.5 X-射线衍射分析 将TS、TS-b和TS-CNC研磨成粉后，通过X-射线衍射仪测定其晶型及结晶度。样品制样后放至扫描仪中，X射线源为CuKα线，λ=0.154 nm，运行电压40 kV、电流30 mA、扫描速度5 °/min，扫描2θ为10°～50°，得到衍射图谱。

利用公式(2)计算相对结晶度(CrI)：

(2)

式中：Iam为非晶区2θ=18°处衍射峰的强度，I200为2θ=22.5°处的衍射峰的强度[17]。

1.3.6 热重分析(TG-DTG) 称取5 mg冷冻干燥后的CNC固体粉末，放入同步热分析仪中，测定试样的热失重曲线。用N2保护，先通入N2持续30 min，排尽空气，气体流量30 mL/min，温度28～700 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.3.7 流变行为表征 为获得更宽固含量范围的TS-CNC悬浊液的流变行为，制备5个梯度(固含量为0.68%、0.76%、0.84%、1.00%和1.17%)的TS-CNC样品，制备方法如下：使用去离子水稀释初始TS-CNC悬浊液(固含量为0.84%)得到固含量分别为0.68%、0.76%的TS-CNC悬浊液，通过使用旋转蒸发仪，除去初始TS-CNC悬浊液中的部分水分，得到2个较高固含量的TS-CNC悬浊液样品，再通过烘箱干燥法计算其固含量分别为1.00%、1.17%。

采用旋转流变仪(Discovery HR-1)对上述制备的5个TS-CNC样品进行流变测试，流变测试分为稳态流变测试和动态测试。稳态流变测试：剪切速率为10-1～103s-1。动态测试分为动态应变扫描和动态频率扫描，动态应变扫描条件为在频率1 Hz下，动态应变为0.1%～100%。动态频率扫描条件：扫描频率为0.1～100.0 rad/s,应变为0.8%(应变根据动态应变扫描结果确定，确保所有样品的测试均在线性黏弹区域)，测试温度均为25 ℃。

2 结果与分析

硫酸水解结合超声波法得到的TS-CNC悬浮液为均一的淡蓝色溶液，当CNC固含量较高时为淡蓝色凝胶状，冷冻干燥后为白色的絮状物，得到TS-CNC悬浊液的初始固含量为0.84%，产率为22.4%。

2.1 微观结构观察

将制得的TS-CNC悬浮液置于普通生物显微镜下放大400倍观察得到图1a，从图1a中可以看到,在液体状态下，CNC较分散，可以清晰看到CNC为短棒状结构。

a:显微镜(×400);b:扫描电子显微镜(×50 000)a:Microscope (×400);b:Scanning electron microscopy(×50 000)图1 CNC的微观结构表征Fig.1 Microstructure characterization of CNC

将酸解处理后超声破碎的CNC粘贴到导电样品台上，并进行喷金处理，用扫描电子显微镜观察其形貌得到图1b，图1b为CNC放大50 000倍的结果。TS经过浓硫酸水解后，氢离子破坏了纤维素无定形区中的氢键,使其无定形区先水解产生葡萄糖等水溶性物质,并且结晶区中晶形不完整的部分也会水解,保留了完整的结晶区的纤维素纤维[22]。由图1可知，CNC的直径为10～20 nm，呈短棒状结构，且一根根堆积在一起，可能是由于扫描电镜检查采用固体样品观察，样品密度大，且CNC表面羟基丰富容易引起团聚现象[22-23]。

2.2 傅里叶变换红外光谱分析

将TS、TS-CNC粉末与溴化钾以1∶200(质量比)混合研磨成粉后，进行压片，用Vertex 70型傅里叶变换红外光谱仪进行官能团结构表征，得到图2。由图2中可看到，TS-CNC在1 749 cm-1左右的特征吸收峰与TS吸收峰相比完全消失，1 749 cm-1表示的是酯键的伸缩振动，关系到半纤维素与木质素之间的连接，这一特征峰的减弱说明了半纤维素与木质素之间的复合结构在碱处理的条件下明显遭到了破坏。1 512 cm-1表示木质素苯环C=C双键振动引起的吸收强度，通常以1 512 cm-1处的特征吸收峰表征木质素结构[24]，这一吸收峰与TS吸收峰相比有显著下降，说明在经过氢氧化钠处理2 h后，木质素中的苯环结构被破坏，有利于木质素的降解。

2.3 X-射线衍射分析

将TS、TS-b、TS-CNC研磨成粉后，通过D8 Advance型X-射线衍射仪对结晶度和晶型进行分析,如图3所示。由图3得出,3种样品都具有3个主要的衍射峰，并且衍射峰的位置基本保持一致，分别在衍射角为15.8°、22.2°和34.6°处，3个峰分别对应于纤维素Ⅰ型中(110)、(200)和(400)3个晶面的衍射峰[25-26],说明去除木质素、半纤维素并未改变纤维素的晶形，且制得的TS-CNC仍然保持纤维素Ⅰ型结构。

图2 TS和TS-CNC的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of TS and TS-CNC

图3 TS、TS-b和TS-CNC的X-射线衍射分析Fig.3 XRD analysis of TS,TS-b and TS-CNC

计算得到TS、TS-b、TS-CNC相对结晶度分别为37.9%、55.0%、58.5%，TS-CNC的结晶度高于WANG等[15]研究制得的不含木质素的TS-CNC的结晶度。TS粉末结晶度较小，而且非结晶区占主要部分。随着样品进一步漂白，酸解处理，结晶区相对稳定，且所占比例不断增大即结晶度显著增大,这说明酸处理方法破坏纤维素的非结晶区，使TS-CNC的结晶度得到提高。

2.4 热重分析

通过STA449F3同步热分析仪对TS、TS-CNC进行热重分析，得到热重曲线见图4和微商热重曲线见图5。从图4可以看出，热重曲线有4个温度范围，40～90 ℃内有质量损失是因为水分的解吸附或者蜡质的软化和融解；100～200 ℃内有较少的质量损失,这是由于试样水分的蒸发或微分子的热降解造成的；200～400 ℃内是试样热降解的主要质量损失阶段,原因是纤维素分解生成小分子气体和大分子的可冷凝挥发性物质；当温度大于200 ℃时，TS-CNC在低温区域质量下降较慢且热失重温度相较于TS高，原因可能是由于TS-CNC有较高的结晶度，这与李彩新[18]的结论一致。

图4 TS和TS-CNC的热重曲线Fig.4 TG curves of TS and TS-CNC

图5 TS和TS-CNC的微商热重曲线Fig.5 DTG curves of TS and TS-CNC

图5 的微商热重曲线表明，TS-CNC的主热解峰向低温区移动，说明热解性相对于TS有所降低，原因可能是制备TS-CNC时，烟草秸秆中热稳定性高的物质如木质素、半纤维素在化学处理中被除去，另外由于CNC颗粒相对较小，比表面积大，聚合度较纤维素低，裸露的纤维素末端比较多，反应活性强，所以TS-CNC热稳定性较TS有所降低。

TS、TS-CNC的主热解特征参数见表1，由表1的起始热解温度可知，TS的初始热降解温度低于TS-CNC，原因可能是TS中含有更多的杂质，在400～600 ℃内,主要是最后残留物的缓慢分解,生成部分炭和灰分，最终TS残余量为26.5%低于TS-CNC的残余量(27.4%)，这与黄思维等[17]的结论一致，这可能是因为相对于TS，TS-CNC其中的木质素、半纤维等含量少，所以质量损失率相对较小。

表1 TS和TS-CNC的主热解特征参数Tab.1 Main pyrolysis characteristic parameters of TS and TS-CNC

2.5 流变行为分析

2.5.1 稳态剪切行为 使用Discovery HR-1旋转流变仪对不同固含量的TS-CNC悬浮液进行表征，以剪切速率为横坐标,TS-CNC悬浮液的表观黏度(ηa)为纵坐标作图，得到图6。由图6可知，随TS-CNC悬浮液固含量的增加，ηa增加；当TS-CNC悬浮液固含量小于0.84%时，悬浮液在低剪切速率下，表现出牛顿流体行为，高剪切速率下表现出剪切变稀行为；当固含量高于0.84%时，在剪切速率范围内，TS-CNC悬浮液均表现出剪切变稀行为，且固含量越高，剪切变稀行为越明显。这主要是由于TS-CNC悬浮液中存在缠结，对悬浮液进行剪切会破坏缠结结构，使TS-CNC悬浮液的黏度下降，出现剪切变稀行为；TS-CNC悬浮液的固含量越高，缠结密度越高，缠结结构所对应的松弛时间越短，破坏缠结所需的剪切速率就越低[21]，因此，TS-CNC悬浮液的剪切变稀行为随固含量的增高而越来越明显。

图6 不同固含量TS-CNC悬浮液的表观黏度与剪切速率关系Fig.6 The relationship between apparent viscosity and shear rate of TS-CNC suspensions with different solid contents

2.5.2 动态应变行为 通过动态应变(γ)扫描确定体系的线性黏弹区域，以动态应变为横坐标,分别以不同固含量TS-CNC悬浮液的储能模量和损耗模量为纵坐标作图，得到图7。由图7可知，随动态应变增加，储能模量、 损耗模量开始保持不变，后呈下降趋势，这是由于TS-CNC结构被破坏，固含量越高，使储能模量、损耗模量在较小的动态应变下开始下降。在动态应变测试范围内，为保证所有体系都处于线性黏弹区，选择动态应变为0.8%。

选择应变为0.8%，以角频率(ω)为横坐标，不同固含量的TS-CNC悬浮液的储能模量、损耗模量为纵坐标作图，得到图8。由图8可知，随角频率增加，储能模量和损耗模量呈上升趋势，在低角频率时曲线的斜率与TS-CNC的固含量相关，TS-CNC固含量越低，斜率越大，随TS-CNC固含量上升，斜率逐渐变小，当固含量大于1.00%时，斜率不再发生变化，储能模量与损耗模量几乎不随角频率变化，出现了平台，表明体系在该固含量下已具有明显的网络结构，表现出凝胶形态，固含量为1.17%时凝胶形态更明显，图像在低角频率时出现平台，也验证了这一结果。

图7 不同固含量TS-CNC悬浮液的储能模量、损耗模量与动态应变的关系Fig.7 The relationship between storage modulus,loss modulus and dynamic strain of TS-CNC suspensions with different solid contents

图8 不同固含量TS-CNC悬浮液的储能模量和损耗模量随角频率的变化Fig.8 The changes of storage modulus and loss modulus of TS-CNC suspensions with different solid contents with angular frequency

3 结论与讨论

本研究通过超声波辅助硫酸法制备得到TS-CNC，傅里叶红外光谱是通过分子中基团的振动和转动能级跃迁产生光谱，分析其官能团的组成，进而得到其分子结构，对TS和TS-CNC的红外图谱分析，其结果与邢新月等[27]制备的废纸基CNC结果一致，说明CNC中的木质素和半纤维素被去除。CNC是一种高分子材料，具有高结晶度、高长径比、热稳定性好等优点。结晶度是表征聚合物中晶体区域大小的指标，结晶度越高表明物质分子结构越稳定，物质熔点越高，本研究制备得到的CNC结晶度高于WANG等[15]制备的TS-CNC。热稳定性被用来评价物质耐热性，反映其在一定条件下发生化学反应的难易程度，相较于原材料，CNC的热稳定性得到提高。本研究增添了对TS-CNC悬浮液流变学特性的研究，对于高分子材料和复合材料的合成具有一定的指导意义。

以农业废弃物TS为原料制备的CNC为直径10～20 nm的短棒状晶体,该结构符合硫酸法水解制备CNC[28]的特征，制备得到的CNC尺寸均一、粒径小，经过超声处理后可均匀分散在水中，形成稳定的悬浊液。傅里叶红外光谱分析表明，CNC中保留纤维素的结构，且没有产生新的吸收峰，为纤维素Ⅰ型结构[27]，大部分半纤维素和木质素已被除去，CNC纯度较高。X-射线衍射分析表明，纯化纤维素及TS-CNC仍为纤维素Ⅰ型结构，该结论与红外分析结论一致，纤维素Ⅰ型结构是天然纤维素的晶型，说明试验处理未改变纤维素的晶型，且随着碱处理、氧化漂白、硫酸水解的进行，非结晶区逐渐被破坏，结晶区占比逐渐增大，相对结晶度逐渐升高。CNC的相对结晶度与酸解温度、酸解时间、超声处理时间等有关，若酸解过度或超声时间过长，则结晶区会被破坏，导致相对结晶度下降[29-31]。热重分析结果表明，制备的CNC具有较高的热稳定性，初始热解温度高于传统聚合物加工温度(200 ℃)，可制备复合材料加以应用。TS-CNC悬浮液出现剪切变稀行为，固含量越高，剪切变稀行为越明显；在TS-CNC悬浮液固含量为1.00%、1.17%时，低角频率下，储能模量、损耗模量曲线出现平台，表现出凝胶结构。CNC可以用于制备高分子材料和复合材料。