直接测量纤维素分子量的方法研究进展

元佳丽， 陈峙宇， 王欣雨， 李晓赢， 李敏慧， 贾鹏飞， 王慧庆

直接测量纤维素分子量的方法研究进展

元佳丽， 陈峙宇， 王欣雨， 李晓赢， 李敏慧， 贾鹏飞， 王慧庆*

（合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009）

综述了纤维素被直接溶解后测量分子量的系列方法，包含端基法、渗透压法、粘度法、光散射法、体积排阻色谱法（SEC）、SEC-MALLS联用技术、流变学七种方法，分析了每种方法的原理、应用实例、优缺点、限制条件等。特别指出SEC-MALLS-RI串联技术可获得构象、聚集态等多级结构信息，流变学法是新的表征纤维素分子量分布的相对可行又简易的方法，粘度法是唯一的国家标准方法，最后对几种方法进行了总结对比分析。纤维素领域研究人员可根据本文提供的全面纤维素分子量检测方法去选择适宜的手段。

纤维素；分子量；分子量分布；间接法；直接法

纤维素是自然界产量最丰富的天然多糖，由β-D-吡喃葡萄糖单元通过1,4-糖苷键连接成的线性生物高分子[1]，具有生物相容性好、可生物降解、力学性能优良、可反应性等特点，广泛用于纸张、纳米纤维素、气凝胶、纤维素衍生物、功能材料等。纤维素来源主要包含植物、藻类、海鞘背囊和生物发酵四大类。不同来源的纤维素平均分子量和分子质量分布不同，影响其溶解性能、可反应性、机械性能、流变性能、加工性能、材料寿命等[2]，因此纤维素分子量的测量对其性能研究和开发应用有重大意义。因纤维素分子链间、分子链内部存在强氢键作用，使其几乎不溶于大多数常见的溶剂，所以常将纤维素衍生化后溶解在常见溶剂中再测量分子量。例如衍生成羟丙基纤维素后用静态光散射测其水溶液分子量分布[3]，衍生成甲基纤维素后用体积排阻色谱-激光光散射仪（SEC-MALLS）联用技术测其硝酸钠溶液分子量[4]，用超速离心法测羧甲基纤维素的氯化钠水溶液分子量[5]。但这些间接测定方法会导致低分子量分子链在实验操作中流失、高分子量分子链的反应降解等问题。因此有必要直接溶解纤维素来测试，去获取更准确的分子量信息。

纵观国内外纤维素领域相关研究，在此总结出纤维素分子量直接测定的7种方法，主要包含端基法、渗透压法、粘度法、光散射法、体积排阻色谱法（SEC）、SEC-MALLS联用技术、流变学法，并对每种方法的优缺点和使用条件进行了对比分析，为纤维素相关研究人员和工业化生产提供各自适宜的检测手段。

1 直接测定法

1.1 端基法

1.2 渗透压

渗透压与分子量成反比，高分子量部分贡献很小，所以渗透压法会忽略了样品的高分子量部分信息。Kamide 等检测了渗透压法的上限为100 kD g/mol[9]。一般膜渗透法测定用纤维素基膜（如玻璃纸或细菌纤维素）[10]，但这些膜不能完全抵抗纤维素的溶剂例如铜乙二胺（CDE）溶液，即使用聚乙烯丁醛（PVB）膜，它也会被DMAC/LiCl体系溶解，因此美国Immergut等[11]开发了两种膜，Kel-F和聚乙烯醇缩丁醛，对铜乙二胺溶液具有稳定的抗腐蚀性，测得亚硫酸盐浆和粘胶人造丝纤维素的铜乙二胺溶液数均分子量分别为102 kD和39.9 kD。由此可见，渗透压法测纤维素分子量对膜材料要求高，且样品高分子量部分要少。

1.3 粘度法

[]＝KvMv （2）

传统铜氨溶液存在降解纤维素的缺点，铜乙二胺溶液制备困难，因此新的有效溶剂是粘度法测量纤维素分子量的关键技术。采用4-N-丁基氢氧化铵/二甲基亚砜（THDS）作为溶剂，用AFM和DLS方法来验证纤维素是分子水平上分散在THDS中，可发现纤维素在该溶剂中并未发生降解。中科院化学研究所刘佳健等[15]建立了在BmimAc/DMSO（质量比为1∶1）溶剂体系中测量纤维素分子量的测定方法，特性粘度与DP的关系为DP＝134[g]1.2。此新溶剂制备简单，溶解过程温和，纤维素不会在溶解过程中发生降解，溶液透明且稳定。该种溶剂体系适合测量纤维素聚合度在220～1400的纤维素。

1.4 光散射方法

1.5 体积排阻色谱法

1.6 SEC-MALLS联用技术

SEC-MALLS法还可以获得纤维素在溶液中的聚集态信息。Mako Yamamoto等[30]从雪松、山毛榉和桉树中提取全纤维素，经EDA预处理后完全溶解在8%LiCl/DMI并稀释到1%后经尺寸排阻色谱/多角度激光散射/光电二极管阵列（SEC-MALLS-PDA）分析，发现如图1所示各种全纤维素都呈现双分子量分布，分别归属于全纤维素高分子量纤维素和低分子量的半纤维素部分。获得的分子量与均方根半径曲线图显示所有木质纤维素都具有致密的构象，软木和硬木高分子量部分纤维素都含有支链结构，且可能存在于结晶纤维素微纤维表面。

图1 SEC-MALLS 测定日本雪松、山毛榉和桉树全纤维素分子量分布[32]

图2 流变学方法测量的四种不同纤维素分子量分布[33]

1.7 流变学方法

以上6种测定纤维素分子量方法需要根据测试设备要求选择特定溶剂。例如SEC测试时需要LiCl/DMAc溶解纤维素，要经过脱水、高温活化、溶解和稀释等复杂过程操作，受实验条件和操作方法限制。近年出现了不受限于溶剂的利用高聚物的流变性质测定纤维素的相对分子质量及其分布[33]的方法。俄国Tuminello[34]建立了一套“稀释假定”理论，由高聚物的动态流变性能储存模量（G′）和损耗模量（G″）主曲线计算高聚物的分子量分布。张慧慧等[35]将来自棉浆、生产轮胎帘子线用木浆、木浆以及软木硫酸盐浆4种纤维素的9%（wt）NMMO H2O溶液，采用Tuminello的方法，使用动态流变仪在一定的应变幅度和不同的频率下确定了动态流变特性，发现这四种纤维素的分子量分布宽度大小顺序为棉浆中纤维素＞生产轮胎帘子线用木浆中纤维素＞木浆中纤维素＞软木硫酸盐浆中纤维素。如图2所示，流变方法测得的样品2的MWD最窄，样品1其次，样品3的MWD最宽，此动态流变法结果与SEC方法是一致的，证明了流变学方法可用于测试纤维素相对分子质量分布。但值得注意的是，虽然流变学方法将MWD曲线视为一种正态函数的分布，但不能像SEC方法测得的MWD曲线那样能通过观察曲线的分布情况来判断组成纤维素的主要部分是低分子量、中分子量还是高分子量。

2 测量纤维素聚合度的标准方法

七种方法中只有粘度法被立为测量纤维素分子量的现行国家标准，包括GB/T 5888-1986《苎麻纤维素聚合度测定方法》和GB/T 29305-2012《新的和老化后的纤维素电气绝缘材料粘均聚合度的测量》。GB/T 5888-1986对苎麻纤维素生产、验收和交货中聚合度的测量进行了标准化[38]，使用1M铜乙二胺溶液作为溶剂，通过直径为0.5～0.6 mm的奥氏粘度计测出苎麻纤维铜乙二胺溶液的特性粘度[]′，最后通过公式（4）计算出苎麻纤维素的聚合度。国标GB/T 29305-2012方法类似，以1M铜乙二胺溶液作为溶剂，用乌氏黏度计测出溶液的本征粘度，根据（K＝0.007 5，α＝1）计算出所测试样的粘均聚合度。此标准测试方法适用于所有纤维素绝缘材料，如变压器、电缆、电容器等产品中使用的纤维素绝缘材料[39]，同时也适用于化学改性后能在选择溶剂中完全溶解的牛皮纸的本征黏度的测定。此国家标准方法的优势在于溶解条件不苛刻溶解快、测试操作简单快速、不需要校准、粘度计设备廉价, 能粗略估计不同批号纤维素相对平均分子量大小，方便在纤维素相关生产企业内普及使用，粘度数据也就已成为商品的分子量相对表示方法。

3 总结

本文从国内外大量研究中总结出7种直接测定纤维素分子量的方法，归纳对比来说，端基法、渗透压法侧重样品低分子量部分，端基法测量精准度只适合2万以下分子量的样品，所以不太常用。光散射法、SEC和SEC-MALLS是绝对法，测量范围宽，103～108，适合科研人员获得精准分子量信息以及均方根半径、构象、聚集态等链结构信息，这几种方法设备昂贵、操作要经过专业培训，其中光散射法对洁净度要求最高，要在无尘空间且需要彻底回流洁净容器。新兴的流变学法通过粘度间接测分子量和分子量分布且不受溶剂种类限制，操作难度不大、测试快速，很适合有流变设备时替代其他方法。最经济又简易的还属粘度法，也是唯一已建立国家标准的方法，可满足纤维素生产行业快速获取纤维素相对分子量信息。纤维素工作者可根据可行条件和需求选择合适的测试方法。

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Research Progress of Methods for the Direct Molar Weight Determination of Cellulose

YUAN Jia-li, CHEN Shi-yu, WANG Xin-yu, LI Xiao-ying,LI Min-hui, JIA Peng-fei, WANG Hui-qing*

（School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

This article reviewed a series of methods for measuring molecular weight of cellulose after direct dissolution, including end-group method, osmotic pressure method, viscosities method, light scattering method, volume rejection chromatography (SEC), SEC-Mallades combined technique, rheology method, and analyzed the advantages, disadvantages and limitations of each method. It was pointed out that the SEC-MALLS-RI series technique could obtain multilevel structure information such as conformation and aggregation state, rheological method was a new and feasible method to characterize molecular weight distribution of cellulose, viscosity method is the only national standard method. At the end of the paper, several methods are summarized and contrast analyzed. According to the comprehensive molecular weight detection method provided in this paper, Researchers in the field of cellulose could select the appropriate method of measurement.

cellulose; molecular weight; molecular weight distribution; indirect method; direct method

O633

A

1004-8405(2021)03-0047-07

10.16561/j.cnki.xws.2021.03.05

2021-04-19

国家自然科学基金（31870535、51603059）；中央高校基本科研业务费专项资金（106-4115100027）；国家博士后基金（203-211000091）和安徽省博士后基金。

元佳丽（1997～），女，研究生；研究方向：高分子基功能材料。3479407982@qq.com

通讯作者：王慧庆（1983～），女，博士，副教授；研究方向：纤维素基功能材料。huiqing.wang@hfut.edu.cn