陳宇飛，吳 強，徐光密，王靜芳，傅深淵，錢 俊

（浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300）

通過對纖維素酸解的研究，研究者得到了一種棒狀晶體，其直徑為5～20 nm，長度范圍100 nm到幾個微米，稱為纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal，CNC）[1－2]。由于CNC具有高強度、高模量、低熱膨脹系數(shù)、高長徑比、低密度、可再生、能生物分解等優(yōu)點，被認為是繼玻璃纖維、碳纖維、碳納米管之后，又一高效增強填料，引起了研究者們的廣泛關注[1－4]。近年來，已有研究人員從棉花Gossypium spp.[5]，木材[6]，稻 Oryza Sativa 稈[7]，麥 Triticum aestivum 稈[8]，醋酸菌 Cusuanjun[9]等原料中提取纖維素并制備了CNC，由于原材料和酸解環(huán)境（酸種類、濃度、溫度、時間等）的不同，CNC的形態(tài)尺寸也不相同。例如，由醋酸菌制備得到的CNC，直徑為15 nm，長度可達幾微米[9]；而由棉花制備得到的CNC，直徑為5～10 nm，長度為100～200 nm[5]。五節(jié)芒Miscanthus floridulus分布廣，生長速度快（生長季節(jié)為4 cm·d－1），生物量大（45 t·hm－2），再生能力非常強[12]。然而，隨著人民生活水平的日益提高，五節(jié)芒的利用數(shù)量減少，導致造林難度增加，生物多樣性被破壞。五節(jié)芒莖的纖維素質量分數(shù)高達47.9%[13]，可作為制備CNC的一種優(yōu)質原料。如果能利用五節(jié)芒制備出高附加值的CNC，將為五節(jié)芒的高效利用提供很好的方向。因此，本研究采用正交分析法考察了硫酸質量分數(shù)、酸解溫度和反應時間對CNC產率、懸浮液穩(wěn)定性與形態(tài)尺寸的影響，以期為五節(jié)芒CNC的制備工藝提供理論基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

五節(jié)芒（來自浙江省開化縣）曬干后粉碎；冰乙酸（分析純，天津市永大化學試劑有限公司）；亞氯酸鈉（80%，阿拉丁試劑公司）；硫酸（分析純，杭州大方化學試劑廠）；無水乙醇（分析純，天津市永大化學試劑有限公司）；氫氧化鉀（分析純，西隴化工股份有限公司）。

恒溫磁力攪拌油浴鍋DF-II（中國金壇市杰瑞爾電器有限公司）；循環(huán)水多用真空泵SHZ-D（III）（中國海予英儀器有限公司）；TG16G離心機 （中國湖南凱達科學儀器有限公司）；超聲波細胞粉碎機JY98-III DN（中國寧波新芝生物科技股份有限公司）；ZetaPALS（美國Brookhaven公司）；透析袋MD44，截留分子 8000～14000 g·mol－1，Solarbio。

1.2 纖維素的提取

按文獻[5，7]實驗步驟，從五節(jié)芒中提取纖維素。主要步驟如下：稱取30.0 g五節(jié)芒粉末置于1000 mL燒杯中，倒入蒸餾水直至浸沒，磁力攪拌下在70℃恒溫水浴浸泡至蒸餾水明顯發(fā)黃變色，用蒸餾水洗滌抽濾，以除去水溶性雜質。將所得固體與600 mL的氫氧化鉀溶液（0.90 mol·L－1）充分混合，在水浴中加熱至90℃并攪拌反應4 h，以降解半纖維素，抽濾，并用大量去離子水洗滌至濾液為中性，得到黃色絮狀產物。將黃色絮狀產物放入燒杯，用無水乙醇浸沒，磁力攪拌4 h，除去蠟層，使更易抽濾。抽濾后將得到的產物浸入 1000 mL亞氯酸鈉溶液（0.15 mol·L－1），用醋酸調節(jié)到pH 3～4，在 70℃下水浴攪拌5 h，抽濾，并用大量去離子水淋洗至濾液呈中性，得到白色固體，此步驟目的為除去五節(jié)芒中的木質素。將上述白色固體在60℃烘箱中烘干后得到纖維素，稱量并計算出五節(jié)芒的纖維素比率為44.7%。

1.3 纖維素納米晶體（CNC）制備

稱取烘干的五節(jié)芒纖維素2.0 g，置于20 mL硫酸溶液中，用正交分析法考察硫酸質量分數(shù)、酸解時間、酸解溫度對CNC產率、形態(tài)和懸浮液穩(wěn)定性的影響，正交因子見表1。酸解后，將樣品用10倍質量的去離子水稀釋，并在5000 r·min－1下離心10 min，除去大量的酸；然后將得到的離心膠體置于透析膜中透析至中性；最后，用超聲波細胞粉碎機超聲15 min，得五節(jié)芒CNC懸浮液。

1.4 透射電鏡（TEM）觀察

用日本JEOL公司JEM-1200EX透射電子顯微鏡（TEM）觀察CNC形貌。用滴管吸取1滴待測CNC懸浮液（0.5 g·L－1），滴在電鏡銅網上，用20.0 g·L－1醋酸雙氧鈾染色，干燥2 min，隨后用TEM進行觀察。

1.5 產率計算

稱取m1g五節(jié)芒CNC懸浮液，置于60℃烘箱中干燥至恒量，稱量為m2g，由式（1）得CNC懸浮液的濃度 c，再由式（2）算得 CNC 產率（x）。

式（1）和式（2）中，m3為酸解得到的CNC懸浮液總質量；m4為酸解所用纖維素的質量。

1.6 Zeta電位測試

采用ZetaPALS的Zeta電位測試模式表征CNC懸浮液的Zeta電位，測試條件為25℃，測試5個循環(huán)，取平均值。

1.7 纖維素納米晶體（CNC）懸浮液動態(tài)光散射表征

采用ZetaPALS的粒徑測試模式表征CNC懸浮液的顆粒尺寸，測試條件：25℃，持續(xù)時間6 min，測試3次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 纖維素納米晶體（CNC）形貌觀察

圖1為不同酸解工藝條件下制備的CNC的TEM照片，其中，圖1a的工藝條件為硫酸質量分數(shù)62%，45℃，45 min，CNC長度約180 nm，直徑為5～15 nm；圖1b的工藝條件為硫酸質量分數(shù)62%，50℃，60 min，CNC長度約160 nm，直徑為5～15 nm；圖1c為硫酸質量分數(shù)65%，45℃，60 min，CNC長度約90 nm，直徑為5～10 nm。由圖1可知：用硫酸酸解法可從五節(jié)芒中成功制得CNC，制得的CNC為剛性棒狀結構，而其形貌尺寸強烈依賴于工藝條件（硫酸質量分數(shù)、酸解溫度和時間）。

圖1 五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC）的透射電鏡照片F(xiàn)igure1 TEM photographs of Miscanthus floridulus CNC

2.2 纖維素納米晶體（CNC）產率

表1是硫酸質量分數(shù)、酸解時間及溫度對CNC產率的正交分析結果。由表1可知：CNC產率為25%～50%。根據極差（R）的大小順序，硫酸酸解法制備五節(jié)芒CNC的3個工藝參數(shù)對產率的影響依次為硫酸質量分數(shù)、酸解時間、酸解溫度。根據方差分析，硫酸質量分數(shù)、酸解時間、酸解溫度的P值分別為0.03，0.06和0.35，表明：硫酸質量分數(shù)、酸解時間和酸解溫度對CNC產率的影響分別為顯著、不顯著和不顯著。因素平均值（k）分析表明，隨著硫酸質量分數(shù)增加，CNC產率先升高后降低，在62%時出現(xiàn)最大值，主要是由于硫酸質量分數(shù)較低時纖維素不完全酸解和硫酸質量分數(shù)過高時纖維素的過度酸解引起的。另外，實驗結果表明：當硫酸質量分數(shù)超過70%，五節(jié)芒纖維素將發(fā)生炭化，無法制得CNC。延長酸解時間，產率也出現(xiàn)先升高后降低，最佳時間為45 min。主要原因是硫酸酸解通過破壞纖維素無定型部分獲得CNC，因此，酸解存在最佳時間。當反應時間小于最佳時間，酸解不完全，產率不高；反應時間超過最佳時間，則酸解過度，纖維素晶體部分也參與反應，CNC產率降低。酸解溫度升高與酸解時間延長等效，也存在最佳反應溫度，但溫度對產率的影響較小。因此，CNC產率最高的生產工藝為：硫酸質量分數(shù)62%，酸解時間45 min，酸解溫度45℃，CNC的得率為51.17%。此正交試驗結果與唐麗榮等[14]用微晶纖維素制備CNC和劉志明等[15]蘆葦漿制備CNC的結果基本吻合，都是硫酸質量分數(shù)對CNC得率的影響最大，其最佳條件和產率的細微差異可能是由于纖維素原料的不同而造成的。

2.3 纖維素納米晶體（CNC）懸浮液的穩(wěn)定性

Zeta電位可用于評價懸浮液的穩(wěn)定性，Zeta電位絕對值大于30.00 mV，表明體系比較穩(wěn)定，Zeta電位絕對值越大，體系越穩(wěn)定。本研究通過硫酸酸解法制備五節(jié)芒CNC，在酸解過程中，纖維素表面會與硫酸反應帶有磺酸根負離子，CNC表面帶有負電荷，所測定的Zeta電位為負值。不同工藝條件得到CNC懸浮液的Zeta電位列于表2。由表2可知：五節(jié)芒CNC的Zeta電位基本都在－30.00 mV以下，最低可達－54.55 mV，表明酸解得到的CNC懸浮液非常穩(wěn)定。P值分析表明3個工藝條件對懸浮液穩(wěn)定性的影響均不顯著。R值分析可知：3個工藝參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響依次為硫酸質量分數(shù)、酸解時間和反應溫度。其中，CNC的穩(wěn)定性隨著硫酸質量分數(shù)升高、酸解時間延長和反應溫度升高而提高，這主要是硫酸質量分數(shù)越高，酸解時間越長，溫度越高，反應程度越高，CNC表面生成的磺酸基團含量越高引起的。CNC懸浮液穩(wěn)定性最高的實驗條件為硫酸質量分數(shù)65%，酸解時間60 min，反應溫度50℃。

2.4 纖維素納米晶體（CNC）尺寸

動態(tài)光散射法（DLS）可測定分散于液體中顆粒的流體力學直徑，雖然不能直接給出CNC的真實長度，但其結果可作為酸解CNC尺寸大小的合理參考依據。表3給出了由DLS測定的各組CNC流體力學直徑。與TEM得到的結果相比較，可發(fā)現(xiàn)用DLS得到的CNC長度略小于TEM的觀察結果。另外，硫酸酸解法制備CNC的3個工藝參數(shù)對其流體力學直徑的影響依次為硫酸質量分數(shù)、反應溫度和酸解時間。k值表明：硫酸質量分數(shù)與反應溫度越高，CNC流體力學直徑越?。凰峤鈺r間對CNC尺寸的影響較小。P值表明：硫酸質量分數(shù)對CNC尺寸影響顯著，反應溫度與酸解時間對CNC尺寸影響不顯著。

表1 五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC）產率正交試驗結果Table1 Results of the Miscanthus floridulus CNC yield through orthogonal experiments

表2 五節(jié)芒CNC懸浮液的Zeta電位正交試驗結果Table2 Results of the Miscanthus floridulus CNC suspensions Zata potential through orthogonal experiment

表3 五節(jié)芒CNC流體力學直徑正交試驗結果Table3 Results of the Miscanthus floridulus CNC hydrodynamic diameter through orthogonal experiment

3 結論

用硫酸酸解法可制得五節(jié)芒纖維素納米晶體（CNC），其形態(tài)為剛性棒狀結構，CNC懸浮液非常穩(wěn)定，酸解工藝條件會顯著影響CNC形態(tài)尺寸。

正交實驗分析表明：3個工藝參數(shù)對CNC產率的影響依次為硫酸質量分數(shù) （P＝0.03），酸解時間（P＝0.06），反應溫度（P＝0.35）；對CNC流體力學直徑的影響依次為硫酸質量分數(shù)（P＝0.03），反應溫度（P＝0.22）和酸解時間（P＝0.38）；對CNC懸浮液穩(wěn)定性的影響均不顯著。

[1]SAMIR A M A S，ALLOIN F，DUFRESNE A.Review of recent research into cellulosic whiskers，their properties and their application in nanocomposite field [J].Biomacromolecules，2005，6（2）：612 － 626.

[2]HABIBI Y，LUCIA L A，ROJAS O J.Cellulose nanocrystals：chemistry，self-assembly，and applications [J].Chem Rev，2010，110（6）：3479 － 3500.

[3]EICHHORN S J.Cellulose nanowhiskers：promising materials for advanced applications [J].Soft Matter，2011，7 （2）：303－315.

[4]LAM E，MALE K B，CHONG J H，et al.Applications of functionalized and nanoparticle-modified nanocrystalline cellulose [J].Trends Biotechnol，2012，30（5）：283 － 290.

[5]WU Qiang，MENG Yujie，CONCHA K，et al.Influence of temperature and humidity on nano-mechanical properties of cellulose nanocrystal films made from switchgrass and cotton [J].Ind Crop Prod，2013，48：28 － 35.

[6]RAMANEN P，PENTTILA P A，SVEDSTROM K，et al.The effect of drying method on the properties and nanoscale structure of cellulose whiskers [J].Cellulose，2012，19（3）：901 － 912.

[7]LU Ping，HSIEH Y.Preparation and characterization of cellulose nanocrystals from rice straw [J].Carbohyd Polym，2011，87（1）：564 － 573.

[8]RAHIMI M，BEHROOZ R.Effect of cellulose characteristic and hydrolyze conditions on morphology and size of nanocrystal cellulose extracted from wheat straw [J].Int J Polym Mater，2011，60（8）：529 － 541.

[9]STURCOVA A，DAVIES G R，EICHHORN S J.Elastic modulus and stress-transfer properties of tunicate cellulose whiskers [J].Biomacromolecules，2005，6（2）：1055 － 1061.

[10]FEDORS R F.A method for estimating both the solubility parameters and molar volumes of liquids.Supplement[J].Polym Eng Sci，1974，14（6）：472 － 472.

[11]SIMHA R.The influence of brownian movement on the viscosity of solutions [J].J Phys Chem，1940，44（1）：25－34.

[12]趙佳美，胡勇慶，錢少平，等.五節(jié)芒莖稈微觀構造及結晶度研究[J].浙江農林大學學報，2012，29（3）：426－430.ZHAO Jiamei，HU Yongqing，QIAN Shaoping，et al.Microstructure and crystallinity of the Miscanthus floridulus culm [J].J Zhejiang A&F Univ，2012，29（3）：426 － 430.

[13]曾漢元，宋榮，吳林華.5種高大禾草的纖維素和木質素含量的測定[J].安徽農業(yè)科學，2011，39（19）：11660，11774.ZENG Hanyuan，SONG Rong，WU Linhua.Determination of cellulose and lignin contents in five species of high grass [J].J Anhui Agric Sci，2011，39（19）：11660,11774.

[14]唐麗榮，黃彪，戴達松，等.納米纖維素制備優(yōu)化及其形貌表征[J].福建林學院學報，2010，30（1）：88－91.TANG Lirong,HUANG Biao,DAI Dasong，et al.Optimum process conditions of nanocellulose crystal and morphology characterization [J].J Fujian Coll For，2010，30（1）：88 － 91.

[15]劉志明，謝成，方桂珍，等.蘆葦漿納米纖維素的制備工藝條件優(yōu)化及形貌分析[J].林產化學與工業(yè)，2011，31（6）：87 － 90.LIU Zhiming，XIE Cheng，F(xiàn)ANG Guizhen，et al.Preparation optimization and morphology analysis of nanocrystalline cellulose from reed pulp [J].Chem Ind For Prod，2011，31（6）：87 － 90.