表面改性纳米纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料的制备与性能研究

2021-08-03杨可晴朱玉赵一阳杨京龙陈宗举张秀成

表面技术 2021年7期

杨可晴，朱玉，赵一阳，杨京龙，陈宗举，张秀成

（东北林业大学化学化工与资源利用学院，哈尔滨 150040）

人工骨替代材料均具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，可用于治疗骨缺损[1]。羟基磷灰石（HA）是一种生物活性矿物，还是天然骨无机盐的主要成分[2-6]。HA 能提高生物聚合物的骨传导性，可以促进骨细胞增殖和成骨细胞矿化，是目前公认的最具潜力的骨组织修复材料[7-8]。合成HA 晶体的许多特性与其粒径大小密切相关，当粒径介于1～100 nm时，纳米羟基磷灰石（n-HA）晶体与普通HA 颗粒相比，具有不同的物理、化学性质。其具有高表面积，与自然骨的化学相似性较高，相对于普通HA，有更大的表面能和更高的生物活性等[9-10]。但是，n-HA单独作为骨组织工程材料，存在脆性大、不易降解等诸多问题[11-13]。把高韧性的高分子基质与高刚性的n-HA 巧妙结合，使其最大程度地实现两种成分的优势互补和协同优化，可赋予仿生纳米复合材料高强韧的力学性能[14]，解决骨组织工程材料的强度低、脆性大等问题。纳米纤维素（NCC）是一种从天然多糖高分子——纤维素纤维中提取的棒状纤维素晶体，直径为2～20 nm，长度可达几百纳米，具有很高的长径比或形态比[15]。同时，NCC 还具有结晶度高、柔韧性和生物相容性良好等特点[16-18]。纳米纤维素/羟基磷灰石（NCC/HA）复合材料不仅可显著改善骨材料的力学性能和生物相容性，组分中的HA 还可为骨修复部位提供优质钙、磷元素的来源[19]。

未经表面处理的NCC 极易团聚、亲水性强的特点，严重限制了其在复合材料领域中的应用。NCC比表面积大，表面羟基十分丰富，会导致加工干燥过程中，粒子间很容易通过氢键、范德华力作用发生不可逆团聚，使其在水以及有机溶剂等分散体系中的分散性差。对NCC 进行表面修饰，既提高了NCC 的表面疏水性，又可以改善其在溶剂中的分散性[20-25]。

本文使用环氧丙烷对NCC 进行表面改性，将环氧丙烷接枝到NCC 的羟基上，得到羟丙基纳米纤维素（NCC-HPC）。运用共沉淀的方法，在NCC-HPC的表面沉积合成羟基磷灰石纳米晶体，并利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、X 射线衍射光谱仪（XRD）、接触角测量仪、扫描电镜（SEM）、电子能谱仪（EDS）、力学试验机和热重分析仪（TGA）等对羟丙基纳米纤维素/羟基磷灰石（NCC-HPC/HA）纳米复合材料的结构和性能进行表征和研究。

1 试验

1.1 材料制备方法

1.1.1 NCC-HPC 的制备

取10 g 微晶纤维素（MCC）加入到单口烧瓶中，逐滴加入100 mL 60%（质量分数）的H2SO4，在50 ℃恒温水浴下搅拌2 h，得到NCC 悬浮混合液。将悬浮混合液倒入盛有500 mL 蒸馏水的烧杯中，使之停止反应。将所得混合液放入离心管中，以8000 r/min 的转速离心10 min 后，除去上层酸性液体，重复离心5次。将收集到的离心管内下层胶体状NCC 液体移入已处理好的透析袋中（截留分子量14 000），把透析袋放入蒸馏水中，定期更换蒸馏水，直至透析液呈中性。将得到的NCC 溶胶用冷冻干燥机（SCIENTZ-18ND，中国）进行真空冷冻干燥36 h，制得NCC 粉末。

取10 g NCC 粉末加入三口烧瓶中，加入60 mL异丙醇和1.5 g NaOH，室温下搅拌1 h，移入冰水浴冷却30 min，加入20 mL 环氧丙烷，反应30 min，升温至50 ℃，恒温反应8 h，得到环氧丙烷表面改性的纳米纤维素的碱性溶液。将NCC-HPC 的碱性溶液移入透析袋中，同样透析至中性，真空冷冻干燥36 h，得到NCC-HPC 粉末。环氧丙烷表面改性纳米纤维素反应原理如图1 所示。

图1 环氧丙烷表面改性NCC 反应原理Fig.1 Schematic diagram of NCC reaction of surface modification of propylene oxide

1.1.2 NCC-HPC/HA 纳米复合材料的制备

将一定体积的0.25 mol/L Ca(NO3)2·4H2O 溶液在搅拌器转速为300 r/min 的作用下充分搅拌，加入NCC-HPC 混悬溶液，并逐滴加入20%（质量分数）的氨水溶液，调节Ca(NO3)2·4H2O 溶液的pH 值。当pH 值达到10～11 时，再开始滴加0.15 mol/L (NH4)2HPO4溶液，得到白色沉淀溶液。反应过程中，不断滴加氨水溶液，保持溶液的pH 值为10～11。原料滴加完毕后，连续搅拌2 h。在常温下陈化处理24 h，真空冷冻干燥36 h，得到NCC-HPC/HA 纳米复合材料。

1.2 结构测试与表征

1）采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR，Spectrum 400，美国 PerkinElmer 公司）测定纳米纤维素和NCC-HPC/HA 纳米复合材料的红外光谱，扫描范围为400～4000 cm–1。

2）采用 X 射线衍射光谱仪（XRD，X'Pert3 Powder，荷兰PANalytical 公司）测定纳米纤维素和NCC-HPC/HA 纳米复合材料的物相结构，扫描速率为2 (°)/min，扫描区间为10°～80°。

3）采用接触角测量仪（DSA100 德国KRUSS公司），在室温下测量（液滴法）样品与水的接触角。将纳米纤维素试样置于载玻片上，以去离子水作为测试液体，再利用Laplace-Young 法计算得到样品的接触角。

4）采用扫描电镜（SEM，JSM-7500F，日本JEOL公司）及电子能谱仪（EDS，OXFORD X-MaxN，英国 Oxford Instruments 公司），对纳米纤维素与NCC-HPC/HA 纳米复合材料的表面形貌及元素分布进行分析。

5）将纳米纤维素与NCC-HPC/HA 纳米复合材料粉末置于矩形模具中（长度为 100 mm，宽度为10 mm），以2 MPa 的压力压缩成形，用万能力学试验机（RTG-20A，中国瑞格尔公司）测试材料试样的拉伸性能（拉伸速率为10 mm/min）和弯曲性能（测试速率为2 mm/min）。将纳米纤维素、NCC-HPC/HA纳米复合材料试样粉末置于圆柱形模具中（直径为10 mm），以2 MPa 的压力压缩成形，用万能力学试验机测试复合材料的抗压缩性能，压缩位移为0.4 mm，压缩速度为2 mm/min。

6）用热重分析仪（TGA，Pyris 1，美国PerkinElmer公司）对纳米纤维素与NCC-HPC/HA 纳米复合材料进行热重分析，温度范围为45～800 ℃，升温速率为10 ℃/min，获得热重（TG）、微商热重（DTG）曲线。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

纳米纤维素和NCC-HPC/HA 纳米复合材料的FT-IR 谱见图2。MCC 和NCC 的红外图谱中显示，在3347 cm–1（—OH 振动峰）、2900 cm–1（C—H 伸缩振动峰）、1430 cm–1（C—H 弯曲振动峰）、1058 cm–1（纤维素醇C—O 伸缩振动峰）、1112 cm–1（纤维素分子内醚C—O 伸缩振动峰）、1165 cm–1（C—C 伸缩振动峰）处均有吸收。由此可见，实验制备的NCC与原料MCC 相比，特征峰并无明显变化，仍然具有纤维素的基本化学结构。NCC-HPC 红外谱图则在2973 cm–1处有羟丙基纤维素的特征峰存在，这表明NCC 表面羟丙基化为NCC-HPC。其在3347 cm–1处峰的强度变弱，说明改性后NCC 中的—OH 含量变小，部分官能团去质子化。在NCC-HPC/HA 的红外谱图中，1641、566、603 cm–1（O—P—O 弯曲振动峰）处表现出HA 的特征吸收峰。

图2 MCC、NCC、NCC-HPC 和NCC-HPC/HA 的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectra of MCC, NCC, NCC-HPC and NCC-HPC/HA

2.2 XRD 分析

通过XRD 分析了纳米纤维素和NCC-HPC/HA 纳米复合材料的物相结构，从MCC、NCC、NCC-HPC的X 射线衍射图（图3）中可以看出，它们在2θ为16.38°、22.72°、34.56°处都有对应的衍射峰。这些特征与I 型纤维素的衍射图相符，说明纤维素在硫酸水解和利用HPC 改性的过程中，几乎没有发生晶型结构的变化。NCC-HPC/HA 样品分别在2θ为25.98°、32.24°、39.64°、46.62°、49.74°处表现出HA 典型的X 射线衍射特征峰和纤维素的衍射峰，表明纳米纤维素表面生成了羟基磷灰石。

图3 MCC、NCC、NCC-HPC、HA 和NCC-HPC/HA 的XRD 谱图Fig.3 XRD patterns of MCC, NCC, NCC-HPC, HA and NCC-HPC/HA

2.3 纳米纤维素的接触角分析

纯NCC 与NCC-HPC 的接触角测试结果如图4所示。因为纯纤维素样品含有大量羟基，具有良好的亲水性，所以NCC 与水的接触角β=17°，而NCC-HPC与水的接触角β=55.3°。二者相比，NCC-HPC 的接触角增加了38.3°，疏水性明显增加。这表明环氧丙烷对纳米纤维素表面改性，降低了NCC 的表面亲水性。

图4 纳米纤维素和NCC-HPC 与水的接触角照片Fig.4 (a) Nanocellulose and (b) NCC-HPC contact angle with water

2.4 分散性分析

以经过干燥处理的NCC 为基体制备纳米纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料过程中，需要对NCC 进行再分散。经冷冻干燥过的NCC 粒子间很容易通过氢键、范德华力等作用，发生不可逆团聚，使其在水以及有机相等分散体系中的再分散性差。实验考察了时间对NCC、NCC-HPC、NCC 再分散溶液、NCC-HPC再分散溶液稳定性的影响，结果见图5。几种粉体经过超声波分散的情况如图5a 所示，试样全部被分散成良好的悬浊液。试样超声分散结束2 h 后的沉淀情况如图5b 所示，NCC、NCC-HPC 混悬液稳定，干燥的NCC 粉体经过超声分散后，2 h 已经沉降完全，而经环氧丙烷改性的NCC-HPC 具有良好的胶体稳定性，没有沉降。超声波分散后，24 h 内实验结果仍未发生显著改变，如图5c 所示。这是因为通过化学接枝的方法对NCC 进行表面修饰后，NCC 表面的羟基基本被羟丙基取代，使得NCC 颗粒之间很难形成氢键或者氢键作用大为减弱，极大地减少了颗粒之间的静电吸引力。同时，因为改性在NCC 表面引入了羟丙基基团，使得颗粒表面变得蓬松，粒子之间堆砌不紧密，颗粒之间的吸附作用也大为减弱，因此在超声波的作用下易于重新分散。此外，引入的羟丙基基团与分散体系相溶性较好，因此水分子易通过溶剂化作用渗入到改性后的NCC 颗粒表面，减弱了颗粒之间的相互作用，从而使其更易分散，且稳定性更好。环氧丙烷表面改性可显著增加NCC 的再分散性，这可为制备NCC-HPC/HA 纳米复合材料提供有利的条件。

图5 NCC、NCC-HPC 再分散悬浊液在不同时间间隔下的沉降结果Fig.5 Settlement results of redistributed suspension of NCC and NCC-HPC at different time intervals: a) just after ultrasound; b)2 hours after ultrasound; c) 24 hours after ultrasound

2.5 SEM 和EDS 分析

从图6a 中可以看出，MCC 经酸水解后所得的NCC，形状呈线状，结构规整。从图6a′中大致可见NCC纤维的长度约为600～1000 nm，直径约为15～30 nm，其长径比约为20～80，具有良好的结晶性以及较高的长径比。酸水解主要作用于纤维素的非结晶区，通过硫酸水解作用，将纤维素解成小段。酸水解后的纳米纤维素的长度随反应时间的增长而变短，所以可以通过调节酸水解的时间控制纤维素的长度和长径比。比较图6a、a′、b、b′可以看出，环氧丙烷表面改性仅改变了纤维素的表面活性官能团，而基本没有改变NCC的形态微观结构。NCC-HPC 和n-HA 共沉淀后的NCC-HPC/HA 纳米复合材料表面形貌如图6c、c′所示，HA 为粒径约10～40 nm 的纳米球形颗粒，这些纳米 HA 微球均匀分布在线状 NCC-HPC 上。由NCC-HPC/HA 表面的元素EDS 分析结果（见图7）可以清楚地观察到Ca（图7c）和P（图7d）的分布情况，Ca、P 元素均匀分布在NCC-HPC/HA 表面，Ca/P 原子比为1.64（图7b），接近天然骨组织中HA的Ca/P 摩尔比1.67[26-28]。

图6 NCC、NCC-HPC、NCC-HPC/HA 的SEM 形貌Fig.6 SEM images of NCC, NCC-HPC, NCC-HPC/HA

图7 NCC-HPC/HA 纳米复合材料表面EDS 图Fig.7 EDS diagram of NCC-HPC/HA nanocomposite surface: a) SEM diagram; b) EDS spectrum; c) Distribution of Ca elements in NCC-HPC/HA; d) Distribution of element P in NCC-HPC/HA.

2.6 力学性能分析

2 MPa 的压力下，对n-HA、MCC 和n-HA 混合物以及NCC-HPC/HA 纳米复合材料进行单轴压缩成形。NCC-HPC/HA 纳米复合材料试样如图8 所示。NCC、NCC-HPC/HA 纳米复合材料的拉伸强度、弯曲强度测试结果如图9 所示，抗压强度如图10 所示。纯n-HA 及由MCC 和n-HA 组成的混合物材料，拉伸强度、弯曲强度相对较低。而在NCC 和NCC-HPC表面沉积合成n-HA 所制备的复合材料的拉伸强度、弯曲强度，比纯n-HA 和MCC/n-HA 复合物有很大提高。经羟丙基化改性后得到的NCC-HPC/HA，拉伸强度可达到3.48 MPa，与纯的n-HA 相比，提高了7.4倍；弯曲强度达到5.22 MPa，提高了2.6 倍；压缩强度可达到2.11 MPa，提高了1.7 倍。该试样比用类似方法制备的未改性NCC/HA 的力学性能要高。相比纯n-HA，由于NCC 填料的加入以及弥散作用，使整体结构更加致密，力学性能得以提升。经表面修饰的纳米纤维素制备的NCC-HPC/HA 纳米复合材料与未经表面修饰的NCC 制备的NCC/HA 纳米复合材料相比，拉伸强度提高了6.7%，弯曲强度提高了4.4%，压缩强度提高了4.7%。经过羟丙基改性后，纳米纤维素表面亲水性和氢键作用减弱，使NCC-HPC/HA纳米复合材料的力学性能进一步得到提升。

图8 经单轴压缩后的NCC-HPC/HA 复合材料的照片Fig.8 Image of NCC-HPC/HA composite material after uniaxial compression

图9 HA、MCC/HA、NCC/HA 与NCC-HPC/HA 纳米复合材料的拉伸强度与弯曲强度Fig.9 Tensile strength and bending strength of HA and MCC/HA、NCC/HA and NCC-HPC/HA nanocomposites

图10 HA、MCC/HA、NCC/HA 与NCC-HPC/HA 纳米复合材料的抗压强度Fig.10 Compressive strength of HA and MCC/HA、NCC/HA and NCC-HPC/HA nanocomposites

2.7 热重分析

NCC、NCC-HPC 与NCC-HPC/HA 纳米复合材料的热重（TG）及微商热重（DTG）曲线如图11 所示。从3 种材料的TG 曲线分别可以看出，5%的失重温度分别为266.1、121.4、245.5 ℃。NCC 经过羟丙基化后，在107.6～152.0 ℃阶段有一个较大的失重反应，质量损失约9.6%，说明NCC-HPC 在此温度范围有脱出小分子反应。后续温度范围内，NCC-HPC 与纯NCC以及NCC-HPC/HA 纳米复合材料的降解趋势相同。由于 n-HA 对 NCC-HPC 的包覆作用，减弱了NCC-HPC/HA 纳米复合材料中NCC-HPC 的低温分解能力，因此在NCC-HPC/HA 纳米复合材料的TG曲线中，未见低温分解现象。从DTG 图中可以看出，NCC 最大分解速率对应的温度为319.8 ℃，是纤维素的脱水阶段降解反应。而NCC-HPC、NCC-HPC/HA各有2 个最大分解速率峰，说明有两步分解过程存在。NCC-HPC 的失重比NCC 稍大一些，说明在其表面部分不稳固的羟丙基先期分解损失掉一部分，说明环氧丙烷表面改性NCC 不仅提高了表面疏水性，还保护了纳米纤维素表面的羟基热分解失重，增加了高温成炭量，使 NCC-HPC 的热稳定性得以提高。NCC-HPC/HA 的残余质量约48.9%，扣除NCC-HPC生成炭的质量，NCC-HPC/HA 中HA 的质量分数约为36.4%。