郭旭霞 郭娟 殷亚方

(中国林业科学研究院，北京，100091)

责任编辑:戴芳天。

纤维素是自然界中最丰富的绿色可再生资源之一，具有亲水性、可生物降解和易于化学修饰等优点［1］。在适当条件下，纤维素分子链中β-1，4-糖苷键可断裂形成高结晶度的纤维素纳米晶体(CNCs)［2］，该材料具有高强度、高反应活性、高透明性、巨大的比表面积及良好的生物相容性等特性，在医药卫生、食品饮料和精细化工等领域具有广阔应用前景［3-6］。

制备工艺和纤维素来源对CNCs 结构与性能有显著影响。酸水解法是CNCs 的主要制备方法，在适当的氢离子浓度下，无定形区内纤维素的β-1，4-糖苷键因与结晶区内纤维素化学反应可及度的差异优先水解断裂，从而获得高结晶度CNCs［3］。研究表明，酸水解过程中水解时间［7］、水解温度［8］、酸浓度［7］、m(纤维素)∶ V(硫酸)［7］对CNCs 结构与性能有影响。纤维素来源广泛，常见于棉花［9］、农作物剩余物［10-11］、海藻［12］、背囊类动物［13］及木材［14］等。不同来源的纤维素因生物合成途径的不同，在形态、长径比、结晶度和结晶结构等方面存在差异。因此，采用不同原料加工的纤维素纳米晶体尺寸差异明显。

木材幼龄材与成熟材性质差异明显。以针叶材为例，与成熟材相比，幼龄材具有木材密度低、细胞壁薄、管胞较小且胞腔较大、晚材率低、纤维素含量低、微纤丝角较大且结晶度较低等性质［15］，这些差异可能会影响到其制备的CNCs 尺寸和结晶度等性能。

笔者以我国主要商品材树种杉木为原料，采用超声波辅助硫酸水解法制备CNCs。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)和Zeta 电位分析仪等研究手段，系统分析不同水解条件下制备的幼龄材和成熟材CNCs 尺寸、结晶度、热稳定性、悬浮液稳定性及表面Zeta 电位等性能，确定杉木幼龄材和成熟材以及水解条件对CNCs 上述性能的影响规律，从而为杉木制备CNCs 的工业化生产提供科学依据，也为木材高附加值利用提供科学新途径。

1 材料与方法

1.1 材料

木材样品取自江西省吉安陈山林场的30年生杉木，分别选取幼龄材(1～15 生长轮)与成熟材(20～35 生长轮)备用［16］。化学试剂购于国药集团，并直接使用。

1.2 纤维素提取

依次将杉木幼龄材和成熟材研磨成40～60 目木粉，苯醇抽提去除抽提物，亚氯酸钠和冰醋酸去除木质素，氢氧化钾去除半纤维素，得到幼龄材纤维素与成熟材纤维素［17］。

1.3 CNCs 制备

采用超声波辅助硫酸水解法制备幼龄材CNCs和成熟材CNCs，即水解在超声波环境中完成(前5 min 超声功率为405 W，后续时间超声功率为315 W)。分别将幼龄材纤维素和成熟材纤维素加至一定体积的质量分数为64%硫酸水溶液中，于45 ℃下超声波环境中水解，具体实验条件见表1。水解结束后，依次经过离心和透析处理得到幼龄材CNCs和成熟材CNCs。幼龄材CNCs 和成熟材CNCs 分别命名为CNC-J 和CNC-M。

以幼龄材CNCs 为例，CNC-J-3、CNC-J-4和CNC-J-5 是采用m(纤维素)∶ V(硫酸)=1 g∶ 15 mL 的投料比，在超声波环境下分别水解30、45、60 min 而制得的CNCs。CNC-J-1 是CNC-J-3 的对照试验，即无超声波环境的硫酸水解;CNC-J-2 是CNC-J-4 的对照试验，即m(纤维素)∶V(硫酸)=1 g∶ 10 mL 的水解。

表1 杉木制备CNCs 的实验条件

1.4 CNCs 性能测试

利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)表征幼龄材和成熟材木粉及其相应纯化纤维素。样品在105℃下烘干24 h 后，溴化钾(KBr)压片，在4 000～500 cm-1波数范围以及4 cm-1的分辨率下测试。

采用透射电镜(TEM)研究CNCs 形貌和尺寸，工作电压为80 kV。利用Image J 软件测量CNCs 长度(随机选取100 个)与宽度(随机选取50 个)，最后利用SAS 软件分析数据。

幼龄材与成熟材木粉、纤维素及CNCs 的晶型结构和结晶度采用X 射线衍射仪(XRD)表征。测试条件为管电压为45 kV，管电流为40 mA，铜靶，2θ=3°～40°的扫描范围和4(°)/min 的扫描速率。样品重复数为3 个。使用EVA 软件对衍射峰进行精确分析。

纤维素结晶度(ⅠC)由以下公式所得［18］:

式中:Ⅰ200是(200)面的衍射强度;Ⅰ18.5°是2θ =18.5°附近无定形区衍射强度。

CNCs 的热稳定性能通过热重分析仪(TG 209 F1，NETZSCH)分析，样品在氧气环境下以10 ℃/min 的加热速率由50 ℃加热至700 ℃。

CNCs 的Zeta 电位值由纳米粒度、Zeta 电位和绝对分子量分析仪(Zetasizer Nano ZS，Malvern)给出，样品测量10 个循环，测量温度为25 ℃。

2 结果与分析

2.1 杉木木粉与纤维素化学组分

由杉木木粉和纤维素的红外光谱可知，幼龄材木粉(图1a)和成熟材木粉(图1b)红外光谱图中均出现了归属于木质素与半纤维素的特征吸收峰(1 740、1 650、1 605、1 510、1 460、1 266 cm-1)(表2)［19-23］，而这些特征峰在幼龄材纤维素(图1a)和成熟材纤维素(图1b)红外光谱图中均消失不见。这表明纤维素样品中无木质素和半纤维素干扰。另外，幼龄材纤维素(图1a)和成熟材纤维素(图1b)红外光谱中均出现归属于纤维素的特征吸收峰(1 425、1 336、1 316、1 056、1 030 cm-1)(表2)，这表明杉木纤维素的提取过程未破坏纤维素主要结构。

表2 杉木红外光谱中吸收带的归属

2.2 CNCs 形貌和尺寸

采用透射电镜研究不同水解条件下制得的幼龄材CNCs(CNC-J)和成熟材CNCs(CNC-M)形貌和尺寸。CNC- J 和CNC- M 均呈纳米棒状形貌(图2)。CNCs 纳米粒子聚集行为可能是由制样过 程中干燥和染色处理引起的［24］。

图1 杉木木粉和纤维素的红外光谱图

图2 杉木电镜图

CNC-J 和CNC-M 的尺寸(长度与宽度)及长度分布范围如表3和图3所示。可知，相同水解条件下，CNC-J 和CNC- M 的宽度差异性显著(P＜0.05)，但无普遍变化规律。另外，CNC- J 和CNC-M 宽度均受到水解条件的显著影响(P ＜0.05)，但影响规律亦不明显。

相同的水解条件下，CNC-J 与CNC-M 长度差异性显著(P ＜0.05)(表3)，较CNC-M 而言，CNC-J 平均长度较大且长度分布范围较广。这可能是二者结晶度和微纤丝角差异导致的，幼龄材结晶度较低，幼龄材纤维素和成熟材纤维素的结晶度分别为64.3%和72.4%。同时，幼龄材微纤丝角较大。以上结果表明幼龄材纤维素中有较多无定形区和结晶区缺陷，因此，在相同的水解条件下，幼龄材CNCs 长度较大且分布范围较广。

水解时间显著影响CNC-J 和CNC-M 的尺寸(P ＜0.05)(表3)。随着水解时间的增加，CNC-J-3 至CNC-J-5 的平均长度由76.4 nm 减小至58.3 nm，CNC-M-3 至CNC-M-5 的平均长度由65.3 nm 减小至50.1 nm(表3)。此外，随着水解时间的增加，CNCs 长度分布范围逐渐变窄(图3C 和图3F)。这可能是因为在纤维素原料未被水解完全之前，水解时间的增加可保证幼龄材纤维素和成熟材纤维素水解更充分，得到尺寸较小和分布范围较窄的CNCs。

另外，CNCs 的长度与超声波辅助处理和m(纤维素)∶ V(硫酸)有显著相关性(P ＜0.05)。CNC-J-3 与CNC-M-3 的平均长度为76.4、65.3 nm，分别小于CNC-J-1 的平均长度(81.7 nm)和CNCM-1 的平均长度(84.6 nm)，且差异性显著(P ＜0.05)。这表明超声波处理会影响CNCs 尺寸［9，25］，因为超声的声致空化作用，短时间内产生高压和冲击波，使得纤维表面被破坏，纤维素链中糖苷键断裂［26］，导致CNCs 尺寸减小。此外，水解初期，超声波的使用可有效分散纤维素聚集体，使酸根离子快速渗透至纤维素无定形区内部，保证了纤维素水解更充分，从而得到尺寸分布较窄的CNCs(图3a 和图3d)。另一方面，m(纤维素)∶ V(硫酸)也对CNCs 长度有显著影响。m(纤维素)∶ V(硫酸)=1 g∶ 15 mL的CNC-J-4 与CNC-M-4 的平均长度及其分布范围均小于m(纤维素)∶ V(硫酸)=1 g∶ 10 mL 的CNC-J-2 和CNC-M-2(表3、图3b 和图3e)。这是因为在纤维素原料未被完全水解之前，较大的m(纤维素)∶ V(硫酸)可保证纤维素的更充分水解。

图3 杉木幼龄材、成熟材在不同水解条件下制备的CNCs 的长度分布范围

表3 杉木幼龄材与成熟材不同水解条件制备的CNCs 尺寸

2.3 CNCs 结晶度

杉木幼龄材和成熟材木粉、纤维素及CNCs 的X 射线衍射图如图4所示。各衍射图均在2θ =22.7°、15.6°和16.5°处有衍射峰，分别归属于(200)、(110)和(1-10)晶面。这表明样品均属于纤维素β 晶型［25］。幼龄材与成熟材木粉的结晶度分别为44.0%和44.1%，而幼龄材纤维素与成熟材纤维素的结晶度分别为62.8%和72.4%。结晶度的提高是木粉中的木质素和半纤维素被去除的结果［27］。

杉木幼龄材和成熟材在不同的水解时间下制备的CNCs 结晶度如表4所示。结果显示，CNC-J 的结晶度低于CNC-M 的结晶度且差异性显著(P ＜0.05)，这可能是由于幼龄材纤维素的结晶度低于成熟材纤维素的结晶度。另外，随着水解时间增加，CNC-J 的结晶度没有明显差异(P ＞0.05)，而CNC-M的结晶度与水解时间呈正相关关系(P ＜0.05)。

表4 杉木幼龄材和成熟材CNCs 结晶度

2.4 CNCs 的热稳定性

图5为杉木幼龄材和成熟材的纤维素与CNCs热重曲线图。可知，幼龄材纤维素与成熟材纤维素的起始降解温度均为220 ℃，而二者的终止反应温度不同，幼龄材纤维素的终止反应温度为320 ℃，远低于成熟材纤维素的终止反应温度(407 ℃)。这表明幼龄材纤维素的热稳定性低于成熟材纤维素的热稳定性，因为虽然幼龄材和成熟材纤维素的结晶结构相同，但是成熟材纤维素的结晶区较多，结晶度较高，因此热稳定性较好。另外，CNC-J 与CNC-M的起始降解温度均为130 ℃，而CNC-J 的终止反应温度为420 ℃，略低于CNC-M 的终止反应温度(450 ℃)。这说明CNC-J 的热稳定性略低于CNC-M 的热稳定性，可能是因为CNC-J 的结晶度低于CNC-M(表4)，所以CNC-M 热稳定性较好。同时，CNC-J 与CNC-M 的初始降解温度(130 ℃)均低于幼龄材纤维素与成熟材纤维素的初始降解温度(220 ℃)约100 ℃，说明CNCs 的热稳定性远低于纤维素的热稳定性。这是因为在水解过程中纤维素表面羟基被含硫基团取代，非中性的含硫基团导致CNCs 热稳定性较差［28］。然而，随着水解时间的增加，CNC-J 与CNC-M 的初始降解温度与反应终止温度均未有明显变化，即CNC-J 与CNC-M 的热稳定性与水解时间相关性不大。

图4 杉木的XRD 衍射图谱

图5 杉木纤维素及不同水解时间制备所得CNCs 的TG 曲线

2.5 CNCs 的Zeta 电位值

Zeta 电位值是表征CNCs 悬浮液的稳定性的重要指标，可用Zeta 电位的绝对值衡量悬浮液的稳定性，绝对值越大则悬浮液稳定性越好，通常Zeta 电位绝对值大于30 mV，表明体系比较稳定［29］。表5给出了幼龄材和成熟材在不同的水解时间下制备的CNCs 的Zeta 电位值，电位值范围为-37.6～-51.6 mV。本研究中Zeta 电位值为负数是因为硫酸水解法制备的CNCs 带有负电荷的硫酸基团，引起CNCs 粒子之间的静电排斥［30-31］。因为不同水解时间制备所得CNCs 的Zeta 电位绝对值均大于30 mV，所以CNCs 悬浮液稳定性均较好。研究发现，CNC-J 的Zeta 电位的绝对值随水解时间的增加先增加后略有降低，而CNC-M 的Zeta 电位绝对值变化不大。这说明，CNC-J 的悬浮液稳定性受水解时间的影响，随水解时间的增加呈先增加后降低的趋势，而CNC- M 的悬浮液稳定性不受水解时间影响，随水解时间的增加无明显变化。

表5 杉木幼龄材和成熟材不同水解时间制备的CNCs 的Zeta 电位值

3 结论

采用超声波辅助处理硫酸水解法成功制备杉木幼龄材和成熟材CNCs。相对于幼龄材而言，成熟材可制备具有较小尺寸及其分布范围、较高结晶度和较好热稳定性的CNCs;幼龄材和成熟材制备的CNCs 热稳定性低于幼龄材和成熟材获得的纤维素;幼龄材和成熟材制备的CNCs 悬浮液具有良好的稳定性。水解过程中超声波的使用、m(纤维素)∶ V(硫酸)的增加和水解时间的增加，导致CNCs 的尺寸减小，长度分布范围变小。随着水解时间的增加，幼龄材CNCs 和成熟材CNCs 热稳定性均无明显变化。幼龄材CNCs 的结晶度和悬浮液稳定性先增加后降低;成熟材CNCs 的结晶度逐渐增大，而悬浮液稳定性变化不大。

致谢:感谢江西省林业科学研究院肖复明、中国林业科学研究院木材工业研究所李改云、宋坤霖、焦立超和王丽在试样采集和实验测试方面提供的帮助。

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