铁/木质素纳米粒子复合纸的制备及性能

李颖，童树华，李瑞芳，戴林,*，司传领

(1. 天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457；2. 浙江金昌特种纸股份有限公司，浙江 龙游 324404；3. 深圳市和顺堂医药有限公司，广东 深圳 518040)

随着资源问题和环境问题的冲突日益突出，可再生生物质资源的开发和利用成为当今一大热点。木质素是自然界中产量仅次于纤维素的芳香族天然可再生高分子聚合物，由苯基丙烷通过碳碳键和醚键键连而成，含有羟基、甲氧基等多种官能团，化学位点丰富，具有活泼的化学活性，可用于抗氧化、抗紫外、抗菌、医用等多个领域[1-2]。而木质素作为制浆造纸的废弃物，大部分都没有得到合理的利用，只有5%用于高附加值利用[3-4]。

制备纳米木质素是高值化利用的有效途径之一。由于酸性基团的去质子化，木质素纳米粒子表面呈现负电荷，具有更大的比表面积，能更好地与聚合物基质结合，更容易分布均匀[5-6]。纳米木质素可通过沉降法、机械法、自组装、逐步加成聚合等方法制备。Frangville等[7]用沉降法制备了可生物降解的纳米木质素；Gilca等[8]通过超声破碎法制备了纳米木质素微球；Qian等[9]采用乙酰化木质素作为原料以自组装的方法制得木质素纳米粒子；Yiamsawas等[10]将木质素在逆细乳液中与甲苯二异氰酸酯通过界面逐步加成聚合制备了中空的纳米胶囊；Ma等[11]成功制备了可长期稳定存在的纳米木质素微球，取得了重大突破。

社会对抗菌材料的需求与日俱增，可将抗菌剂引入所需材料基质从而制得抗菌材料[12]。大部分的抗菌剂都是通过与细菌蛋白质或酶的巯基相互作用使细菌失活[13]。Fe3+具有一定的抗菌活性，其与细菌DNA中的磷相互作用，使DNA复制失活[14]。此外，含铁木质素纳米粒子可以穿透细胞膜，铁离子与木质素络合形成木质素纳米粒子的同时会产生·OH等自由基，进一步对细菌中的生物结构进行破坏[15]。

笔者选取Fe3+制备不同质量分数的木质素纳米粒子，并将其稀释成不同的质量浓度(0.06～0.10 g/L)，采用针叶木漂白浆制得纸张并与木质素纳米粒子稀释液进行浸渍试验，将纳米粒子负载在纸张上，并研究纸张的机械性能和抗菌性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

工业硫酸盐木质素，济南长寿生物科技有限公司；固体FeCl3·6H2O，天津市福晨化学试剂厂；漂白硫酸盐针叶木浆，山东泰安百川纸业有限公司。

核磁共振波谱仪，瑞士Bruker；布鲁克海文粒径分析仪，美国布鲁克；EDS定量能谱仪，深圳世纪远景；S-4800扫描电子显微镜，日本日立；ZDJ-100打浆度测定仪，瑞典L&W；RK-ZA-KWT纸页成型器，奥地利PTI；FT-IR-650傅里叶变换红外光谱仪，天津港东。

1.2 木质素的纯化

取5.0 g研磨后的工业硫酸盐木质素(AL)溶于500 mL无水乙醇中，室温下磁力搅拌2 h，将木质素/乙醇悬浊液离心，取离心后的上清液放入旋转蒸发仪中，蒸干后得到木质素粉末。重复溶解、离心和旋蒸的操作，得到的木质素粉末标记为乙醇木质素，得率约为61.7%。

1.3 木质素纳米粒子(LNPs)制备

取20 mg乙醇木质素溶于10 mL无水乙醇中，搅拌2 h使其充分溶解，再加入35 mL去离子水，继续搅拌2 h后放入透析袋中透析3 d，制得纯水木质素纳米粒子(p-LNPs)。

取20 mg乙醇木质素溶于8 mL无水乙醇中，搅拌2 h使其充分溶解。取1.66 g FeCl3·6H2O溶于10 mL无水乙醇，得到质量浓度为10 mg/mL的FeCl3/EtOH溶液，并将其分别稀释为1.00，0.10和0.01 mg/mL。向搅拌好的乙醇木质素溶液中分别逐滴滴加2 mL FeCl3/EtOH溶液(0.01～1.00 mg/mL)，继续搅拌0.5 h，加入35 mL去离子水，放入透析袋中透析3 d，制得不同质量分数(0.1%～10.0%)的含铁木质素纳米粒子(Fe-LNPs)。质量分数为0.1%，1.0%和10.0%的含铁木质素纳米粒子分别记为Fe-LNPs0.1、Fe-LNPs1和Fe-LNPs10。

1.4 木质素纳米粒子复合纸制备

将360 g漂白硫酸盐针叶木绝干浆在8 L水中浸泡约1 h，使用瓦力打浆机进行打浆，直至打浆度为25 °SR，快速水分测定仪测得湿度为77.32%，密封后放入冰箱保存。选取纸片的定量为80 g/m2进行抄造，将4种不同的木质素纳米粒子(p-LNPs, 0.1%～10.0%Fe-LNPs)进行稀释，然后采用浸渍法把纸片浸泡在木质素纳米粒子稀释液中，再在90 ℃下烘干得到木质素纳米粒子复合纸。

1.5 材料性能表征

定量分析所有木质素样品的官能团结构及其数量，粒径分析仪对木质素纳米粒子的大小进行表征，EDS定量能谱仪对木质素纳米粒子微观区域的元素分布进行分析，Zeta电位分析仪对木质素纳米粒子的稳定性进行测试，扫描电子显微镜对木质素纳米粒子及其复合纸的形貌进行观察，FT-IR傅里叶红外光谱仪测试干燥样品的红外光谱，红外光谱记录范围为500～4 000 cm-1。

1.6 纸张物理性能测试

所得纸样在常温环境下平衡水分24 h，再检测其物理性能。抗张、耐破、撕裂、耐折指数分别按照国家标准GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》、GB/T 454—2020《纸耐破度的测定》、GB/T 455—2002《纸和纸板撕裂度的测定》、GB/T 457—2008《纸和纸板耐折度的测定》进行测试。

1.7 抗菌性能测试

对所制的木质素纳米粒子复合纸进行革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和革兰氏阴性大肠杆菌(Escherichiacoli)的抗菌试验。选取LB肉汤培养基作为培养液，接种后在摇床中培养12 h。使用倍比稀释法将培养好的菌液稀释成106～107菌落形成单位(CFU)的菌悬液。将制得的木质素纳米粒子复合纸剪裁成10 mm×10 mm大小，取100 μL菌悬液均匀涂布到纳米粒子复合纸上，放入37 ℃培养箱中培养24 h，扫描电子显微镜观察细菌形态。

2 结果与分析

2.1 纯化木质素表征

将原料木质素粉末经过乙醇纯化分级处理后得到乙醇木质素。通过核磁共振波谱仪(31P NMR)定量分析了其官能团结构，结果见图1，各官能团数量见表1。由图1和表1可知，纯化后的木质素原料以S型木质素为主。

图1 乙醇木质素的31P NMR图谱Fig. 1 31P NMR atlas of ethanol-AL

表1 乙醇木质素官能团的31P NMR定量分析Table 1 Quantitative analysis of ethanol lignin functional groups by 31P NMR

2.1 木质素纳米粒子表征

木质素是一种天然的两亲聚合物，能在选择性溶剂中形成纳米胶束。将硫酸盐木质素溶解在无水乙醇中，加入去离子水，木质素在乙醇中自组装形成木质素纳米胶体球。乙醇木质素的扫描电子显微镜图见图2a，制得的木质素纳米粒子溶液见图2b，木质素纳米粒子形成机制见图2c。由图2可知：纯水木质素纳米粒子的溶液颜色最浅；含铁木质素纳米粒子的颜色随着FeCl3乙醇溶液浓度的变化而改变，即由1.00，0.10，0.01 mg/mL依次变浅；含铁木质素纳米粒子是以Fe3+为中心进行酚羟基的脱氢络合，脱去氢后Fe3+与O之间形成离子配位键使得木质素产生自由基，同时木质素纳米粒子表面带负电；通过自组装的方法制备了纯水木质素纳米粒子，表面官能团为羟基。

a)乙醇木质素；b)从左到右分别为Fe-LNPs10、Fe-LNPs1、Fe-LNPs0.1、p-LNPs；c)木质素纳米粒子形成机理。图2 木质素纳米粒子Fig. 2 Lignin nanoparticles

4种纳米粒子的扫描电镜图及粒径分布图见图3。由图3可知，纯水木质素纳米粒子是较为均一的纳米粒子球，而含铁木质素纳米粒子也显示出一种较为规则的纳米球形貌。通过木质素纳米粒子粒径分析可见，4种木质素纳米粒子中质量分数为1.00%的含铁木质素纳米粒子粒径最小，这也就决定了它的比表面积最大，表面官能团相对较多。

a)和e) Fe-LNPs10；b)和f)Fe-LNPs1；c)和g)Fe-LNPs0.1；d)和h)p-LNPs。图3 木质素纳米粒子的扫描电子显微镜图及其粒径分布图Fig. 3 SEM and particle size distribution of lignin nanoparticles

采用EDS定量能谱仪对含铁木质素纳米粒子微观区域的元素分布进行分析，所得扫描能谱分析图见图4。由图4可知，纳米粒子中有铁元素存在，表明含铁木质素纳米粒子制备成功。再对含铁木质素纳米粒子进行EDS点的分析计算，所得元素含量见表2。由表2可知，主要含有C、Fe两种元素，也可验证铁元素的存在。

图4 含铁木质素纳米粒子(Fe-LNPs)的扫描能谱分析图Fig. 4 EDS of Fe-LNPs

表2 含铁木质素纳米粒子元素含量Table 2 EDS components of Fe-LNPs

4种木质素纳米粒子的Zeta电位分析结果见图5。由图5可知，4种不同的木质素纳米粒子都具有较大的电位绝对值，表明木质素纳米粒子可以稳定存在一段时间，从另一方面验证了木质素纳米粒子的成功制备。除此之外，可以看到质量分改为1.00%的含铁木质素纳米粒子的电位绝对值最大，表明它的表面斥力最大，所以粒径最小。

图5 木质素纳米粒子的Zeta电位分析Fig. 5 Zeta potential analysis of lignin nanoparticles

木质素纳米粒子的红外光谱图见图6。制备含铁木质素纳米粒子时先将FeCl3乙醇溶液加入木素乙醇溶液中搅拌，是为了保证木质素能和Fe3+充分络合，从而形成以Fe3+为中心的木质素纳米粒子。由图6可知：在2 942.8 cm-1处的峰值是由于亚甲基(—CH2)和甲基(—CH3)基团中C—H键的对称和不对称振动；在1 708.6 cm-1处的峰值是由于酚酸形成的共轭酯和未共轭羰基键的振动；在1 421.4和912.1 cm-1处峰值由羧酸O—H键的伸缩震动引起，图中峰值出现减弱和偏移现象，表明在纳米粒子的制备过程中羧基(—COOH)与Fe3+发生络合而减少；1 270.8 cm-1处峰值代表酚羟基(—OH)的存在，图中的木质素纳米粒子光谱此处峰值减弱，表明在纳米粒子的制备过程中酚羟基(—OH)与Fe3+发生络合而减少。

图6 木质素纳米粒子的红外光谱图Fig. 6 FT-IR of lignin nanoparticles

2.2 木质素纳米粒子复合纸的表征

将木质素纳米粒子稀释液与漂白硫酸盐针叶木浆结合进行纸片抄造。把纸片浸泡进不同的纳米粒子稀释液中，烘干得到木质素纳米粒子复合纸。通过扫描电子显微镜观察木质素纳米粒子复合纸的形貌特征，结果见图7(第一行为表面图，第二行为截面图)。由图7可知，在复合纸的表面和截面可以看到木质素纳米粒子附着成功。木质素纳米粒子具有大量羟基基团，可以与针叶木纸张纤维之间形成氢键从而完成木质素纳米粒子的附着。表明木质素纳米粒子复合纸制备成功，试验测得木质素纳米粒子的留着率为(68.3%±0.2%)。

a)和f) 空白纸张；b)和g) Fe-LNPs10；c)和h) Fe-LNPs1；d)和i) Fe-LNPs0.1；e)和j) p-LNPs。图7 木质素纳米粒子复合纸的SEM图Fig. 7 SEM image of lignin nanoparticle composite paper

2.3 纳米粒子复合纸的性能

通过打浆-抽滤-真空加热干燥得到木质素纳米粒子复合纸，对其机械性能进行测试。同种纳米粒子不同稀释配比的复合纸机械性能结果见图8。由图8可知，当纳米粒子稀释质量浓度为0.08 g/L时，纳米粒子复合纸的性能最佳。

a) Fe-LNPs10;b) Fe-LNPs1;c) Fe-LNPs0.1;d) p-LNPs图8 不同质量浓度纳米粒子复合纸机械性能比较Fig. 8 Mechanical properties of composite paper with different concentrations of nanoparticles

纳米粒子稀释质量浓度为0.08 g/L时不同木质素纳米粒子复合纸的机械性能结果见图9。由图9可知，同种稀释配比下，质量分数为1.00%的含铁木质素纳米粒子复合纸的抗张、耐破、撕裂、耐折强度都高于其余3种木质素纳米粒子复合纸。木质素纳米粒子的负载，使得原本纸张纤维的纤维间结合面积减小，氢键结合数量减少，结合不紧密，但负载的木质素纳米粒子稀释液质量浓度并不是很高，从而相比于原来的纸张，纳米粒子复合纸的抗张强度略有降低。而质量分数为1.00%的含铁木质素纳米粒子的粒径是最小的，故填充得更加紧密，对原有连接氢键的破坏更小，因此相比于其他木质素纳米粒子复合纸，质量分数为1.00%的含铁木质素纳米粒子复合纸的性能更好。

图9 质量浓度为0.08 g/L时不同木质素纳米粒子复合纸的机械性能Fig. 9 Mechanical properties of composite paper with different lignin nanoparticles at dilution concentration of 0.08 g/L

2.4 木质素纳米粒子复合纸的抗菌性能测评

采用革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌对纳米粒子复合纸的抗菌性能进行评价。将菌悬液涂布在纸张表面后用扫描电子显微镜观察纸张表面细菌的生长情况，与普通的纸张进行对比。由于Fe3+的成功络合，木质素纳米粒子产生·OH等自由基团，对细菌具有破坏作用。电镜结果见图10，第一行为金黄色葡萄球菌抗菌效果，第二行为大肠杆菌抗菌效果。由图10可知，对比于未加处理的普通纸张，附加了木质素纳米粒子的复合纸表现出相似的抗菌活性，即表面细菌明显出现黏连破损情况，表明了木质素纳米粒子复合纸可以破坏细菌细胞，是一种有效的抗菌材料。

a)和f)空白纸张；b)和g) Fe-LNPs10；c)和h) Fe-LNPs1；d)和i) Fe-LNPs0.1；e)和j) p-LNPs。图10 木质素纳米粒子复合纸对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能Fig. 10 Antibacterial properties of lignin nanoparticle composite paper against S. aureus and E. coli

3 结 论

通过对硫酸盐木质素进行改性，成功制备了4种不同的木质素纳米粒子。再经过打浆、抄造、浸泡、烘干等工艺将木质素纳米粒子成功地负载到传统纸张上，制得木质素纳米粒子复合纸，随后对木质素纳米粒子复合纸的物理性能和抗菌性能进行了测试。

1)通过自组装的方法可以制得球形木质素纳米粒子胶体，而含铁木质素纳米粒子则是以Fe3+为中心进行络合形成了规则的纳米球。由于木质素负电性基团的存在，制备的木质素纳米粒子可以稳定地在水溶液中存在[16]。在3种含铁木质素纳米粒子中，质量分数为1.00%的纳米粒子粒径最小，为84.3 nm。

2)不同木质素纳米粒子相同稀释比例的复合纸，以含FeCl3质量分数为1.00%的耐折、抗张、耐破、撕裂等机械性能最佳；相同木质素纳米粒子不同稀释比例的复合纸，以稀释质量浓度为0.08 g/L时耐折、抗张、耐破、撕裂等机械性能最佳。

3)通过对纳米粒子复合纸进行抗菌试验，发现纳米粒子复合纸整体呈现出相似的抗菌活性，能有效破坏细菌细胞，使其出现黏连破损的情况，是一种有效的抗菌材料。