纳米微晶纤维素的阳离子表面功能化

纳米微晶纤维素的阳离子表面功能化

纳米微晶纤维素由硫酸水解棉花得到，它同环氧丙基三甲基氯化铵（EPTMAC）经过一系列的反应表面变得阳离子化。生成的纳米微晶悬浮液的特点是ζ电位、电导滴定法、显微镜偏正光、原子力显微镜（AFM）显示改性后的纳米微晶体的尺寸和形状无变化，但是功能化过程转变其表面电荷，并导致总表面电荷密度的减少。这个改性引起稳定的纤维纳米晶体水悬浮液不希望的凝胶及流变特性。横波双折射，却无法检测到分离的液晶手性向列相。

简介

控制酸水解纤维素悬浮物得到的棒状、高结晶度的纤维素纳米粒子，其性能同时受纤维素本身和水解条件的影响。尽管用盐酸水解得到的纳米微晶纤维素在水中的分散性有限，用硫酸做相同的处理，得到表面被磺酸基团酯化的纳米晶体，在水溶液中能产生静电稳定性。在悬浮液中的纳米晶体的自排序引起手性向列型液晶阶段的形成。这些现象使得基于固化液态晶体光学性能的新应用成为可能。

在本文中，我们报告了硫酸水解CNC的表面阳离子化，并研究了阳离子稳定CNC水溶悬浮液的一些物理性能。先前，EPTMAC当做阳离子化剂用于诸如棉短绒、淀粉、木聚糖、壳聚糖，得到表面被阳离子羟丙基-甲基氯化铵取代的纳米微晶纤维素 （HPTMAC-CNC）。HPTMAC-CNC的化学成分、表面电荷和尺寸都已被研究过。HPTMAC-CNC在水中的悬浮液在形成液晶阶段之前会显现出不希望的凝胶。与未功能化的硫酸水解CNC形成对比，这引起了对这些新的阳离子悬浮液/胶体流变特性的研究。

第一个对CNC流变性的研究表明晶体的尺寸和大小分布是影响流体力学性能的主要因素。在这项研究中，动态振荡流量测试为HPTMAC-CNC水凝胶的流变行为提供相应信息，在同心圆环间测量循环库爱特流量是确定这种非牛顿液体黏度的一种常用方法。以前其他研发团队的工作表明，CNC悬浮液黏度随着剪切速率的变化可归为三种类型：在低剪切速率下，在预定区域开始流动时黏度降低；在次区域（中剪切力）可以观测到在所有的领域黏度都很平稳；在高剪切力下，因为对齐的单个CNC棒状物流动性加强，黏度的下降更为明显。

HPTMAC-CNC凝胶呈现出触变性，这种性能在用盐酸水解的CNC上也可以观测到。能检测出来这种触变性在恒定的剪切速率下会逐渐地降低粘度，当压力去除时黏度又可以恢复。过去认为，在CNC悬浮液中降低其表面电荷能促使其凝胶。然而，在我们这个情况下，CNC表面化学改性意味着当研究触变凝胶机理时必须考虑到表面结构中新的取代物和改变的交互作用。例如，众所周知三甲胺盐用来增强吸水性，它们的存在可能会影响HPTMAC-CNC悬浮液。氯离子的重要性通过离子交换进行检测。残余硫酸酯的存在也会被研究，因为这些阴离子基团可能会通过静电作用导致凝胶现象。

试验阶段

材料

Whatman纤维素助滤剂的棉用来当做纤维素原材料。EPTMAC购置Fluka，并回收使用。去离子水（18.2MΩ cm，Millipore Milli-Q净化系统）不用pH调整直接使用。氢氧化钠和氯化钠容积标准及用于滴定的硝酸银从Aldrich取得。

硫酸水解纤维素

CNC悬浮液是由质量比为64%的硫酸（Sigma）在45℃下持续搅拌45min水解得到的。通常，40g棉助滤剂用700mL酸处理。酸水解后立即用10倍的纯净水来稀释悬浮液以终止反应。悬浮液在6000rpm的转速下离心10min，用来浓缩纤维素，去除多余的水和酸。沉淀物经过洗涤、再离心、用水透析5天，直到溶液pH值呈稳定的中性。用混合离子交换器做实验研究，将分级离子交换树脂（来自σ的DOWEX MR-3）加入到纤维素悬浮液中，待48 h后再通过硬质无灰滤纸进行过滤、移除（Whatman 541）。悬浮液在冰浴中冷却，取60%进行超声处理（Vibracell声波发生器，超音速和材料公司，丹伯里，康涅狄格州）来制造出胶体尺寸的纤维素晶体。随后这些纳米晶体用0.0020M的氢氧化钠电导滴定 （ORION电导电池018010，电池常数K=0.987cm-1，连接着一个Fisher scientific accumet pH仪表50）从质子化了的硫酸酯转变为钠盐。纳米微晶纤维素表面电荷密度用176nm×13nm的平均结晶大小 （从AFM图像观察）的电导滴定法测定，估算为0.41±0.3e nm-2。

CNC的阳离子化

一定浓度的氢氧化钠溶液加入质量比为8.9%的CNC悬浮液中至氢氧化钠w/v比为7%。常温搅拌30min后，加入EPTMAC(1等同纤维素羟基)，混合物于65℃下搅拌5 h后，反应混合物用5倍的水稀释，再用纯净水透析15天 （来自Spectrum Labs的纤维素透析膜，透析袋分子截留量为12000～14000Da）。得到的HPTMAC-CNC悬浮液其质量比约为1%，先在真空下超声处理和过滤后，再在减压和室温下经行蒸汽浓缩。

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AgNO3电导滴定法

假设1个三甲胺基团对应一个氯化物，三甲胺氯基团的数量通过氯离子同硝酸银溶液电导滴定法测定。通常，100mL质量比为1%的HPTMAC-CNC悬浮液每隔30s加入约0.5ml硝酸银溶液滴定。相应的表面电荷密度取决于假设CNC的表面积为2.60×1020nm2g-1，基于AFM尺寸的测量。给出的结果是两个滴定的平均值。

原子力显微镜（AFM）

一台MFP-3D（Asylun Research）原子力显微镜用来观察CNC表面形态。用Ultaasharp Si tips(弹簧系数5.7Nm-1，共振频率ca.160kHz，NSC14系列，Mikro-Masch)在CNC干膜片和HPTMAC-CNC云母上在敲击模式下收集图像，使用质量比为0.001的悬浮液。这些样品进一步冲洗，以便表面覆盖足够少，能更好地测量单个晶体。纳米晶体的尺寸用Igor Pro v5.04软件分析25个晶体3和5μm的图像测定。

光学显微镜

HPTMC-CNC的显微镜照片用偏光显微镜 （尼康偏光显微镜Eclipse LV100POL及尼康摄像机控制器DS-U2）拍摄。通常的步骤是放几滴HOTMC-CNC悬浮液在标准载玻片上，盖上盖玻片进行观察。图像在样品边缘干燥过程中拍摄获得。

Zeta电位测量值

未功能化的CNC和HPTMAC-CNC的电泳迁移率通过微电泳法仪器MkⅡ（Rank Brothers，诺丁汉）来测量。迁移值用夫斯基方程转换为ζ电位，报告值为20个测量值的平均值。

流变学研究

用一个控制应力/应变流变仪 （高级流变仪AR2000，TA Instruments）同一个锯齿形的穆尼库艾特几何体一起研究HPTMAC-CNC动态流变学。有两种不同浓度的HTPMAC-CNC悬浮液用于研究（质量比分为1.9±0.7%和5.0±0.7%）。流变仪在与丙酮使用之前先清洗，用一个双层帕尔帖水浴控制温度在23℃。同心气缸的距离为1mm。为了避免样品蒸发，将样品覆盖住并且使用矿物油。两种类型的程序在运行：震荡剪切试验和触变性循环。

震荡剪切试验提供动态粘度 （η'）、储存模量（G'）、损耗模量（G''），这些都跟角频率（ω）相反。 进行震荡剪切扫描测试之前，应先让水凝胶休息3～5min。在0.01-100Hz下进行扫描，对质量比为1.9±0.7%的悬浮液控制应变振幅为0.25，质量比为5.0±0.7%的悬浮液控制振幅为0.05。应变值根据初步测定值选定在线性黏粘性范围内。

触变性是通过测定在没有应用应变条件下随着剪切率的增加（0.1-100s-1）和降低（100-0.1s-1）的剪切黏度观察得到的:触变性循环的过程对凝胶来说是一个常见的非线性黏性的测量。在进行触变性运行之前，样品先平衡10min，每隔1min得到一个测量值。Cox-Merz这个经验规则是在复合模量和剪切应力一致那个点通过设定与剪切率相等的任意角频率，用来将角频率（ω）转换为剪切率（γ）。以前的研究表明纤维素水凝胶与温度关系不大，所以这里就不再考虑温度了。

脱硫过程

为了研究凝胶中残余硫酸酯基团的重要性和HPTMAC-CNC悬浮液的流变性能，在用EPTMAC功能化之前，需要先通过水解将硫酸酯基团完全除掉。在一个典型的过程中，质量比为9%的纳米微晶纤维素悬浮液在水中和氢氧化钠固体混合使得氢氧化钠的当量浓度为2M。在65℃下搅拌混合。悬浮液5个小时后用纯净水透析净化。用0.0020M氢氧化钠对CNC进行电导滴定来确认硫酸酯基团是否还存在。用EPTMAC功能化的后续工作根据以上步骤实行。

离子交换过程

离子交换过程是通过搅拌少量的HPTMACCNC悬浮液和DOERX-MR离混合离子交换器（西格玛）来进行。通过这个过程，HPTMAC-CNC的氯离子交换为氢氧根离子。24h之后过滤除去树脂。

结果与讨论

CNC的阳离子化

用EPTMCA对CNC表面阳离子化通过碱激发纤维素羟基的亲核加成到EPTMAC环氧基团，根据反应图1所示，在这个反应中，基准物的数量必须提供足够表面羟基，同时避免基准物引发晶体结构的改变。基准物的浓度应足够高，以便在阳离子化时能完全水解表面硫酸酯基团以保证得到的阳离子性CNC较纯。2M氢氧化钠完成电荷转换如电位测量所见。在这种条件下，水解能完全移除表面硫酸酯基团而不破坏晶体结构。经过大量的透析和声波降解，稳定的HPTMAC-CNC水悬浮液形成。

HPTMAC-CNC特性

HPTMAC-CNC主要的表面性质通过电位、AFM、电导滴定法（表1）测得。用电泳率测量值来确认EPTMAC对CNC的阳离子化。CNC悬浮液的电位表面用EPTMAC处理之后，电荷从之前的-39±3mv变为之后的+30±5mv。表面功能化电位的大小表明为稳定的悬浮液。三氯甲胺含量由氯离子同硝酸银电导滴定得到（图2），并根据0.02每体积脱水葡萄糖单元（AUG）的取代度测得含量为0.112mmolg-1。假设大部分表面阳离子化，这使得表面电荷密度为0.26enm-2，而原材料的为0.41 enm-2。电位和电导滴定都表面改性引进的阳离子取代物比CNC表面存在的原始硫酸酯基团数量要少。

AFM对CNC和HPTMAC-CNC研究得到其纳米晶体的尺寸分别为13±3nm176±21nm及11±2nm174±18nm，由此可确定功能化CNC并没有影响到纳米晶体的尺寸和形状（图3，b）。在平云母表面HPTMACCNC比没有功能化的CNC更容易干燥。HPTMACCNC阳离子性质增强了其吸附到阴离子云母上的力，而且这个纳米晶体不容易被冲洗掉。图3a中的聚合物是CNC阴离子悬浮液在云母上干燥后常见的人工现象（即使在低浓度下），并不意味着在溶液中存在聚合物。虽然云母和硅常用做基片，它们都是负电荷且常与CNC表现出异常的干燥效果，制造更多不均匀的CNC膜片最近已经解决。云母上的HPTMAC-CNC单分子（图3b）是从0.001%悬浮液得到的静电吸附层，悬浮液随后洗净，没有表现出任何聚合的明显现象。

图2 0.01M的AgNO∶滴定质量比为1%的HPTMAC-CNC的电导率

图3 平云母表面的CNC用HPTMAC功能化前（a）后（b）的原子力显微镜高度图像

图4 在质量比为1.9%的HPTMAC-CNC水悬浮液中通过交叉偏振片观察到的剪切诱导双折射，容器直径20mm

HPTMAC-CNC稳定的水悬浮液中能观察到剪切双折射现象，为料想中的棒状胶体。图4是质量比为1.9%的HPTMAC-CNC悬浮液通过交叉偏正器摇晃小瓶得到的图像。静止时双折射现象就会消失。即使经过冷冻干燥，HPTMAC-CNC在水中也很容易重新分散并保留剪切双折射现象。

通过增加浓度，我们期望观察到易溶液晶手性向列相的形成，由初始阴离子CNC悬浮液表明。质量比浓度超过3.5%时，HPTMAC-CNC悬浮液会形成各向同性凝胶，这明显抑制了有序液晶相的形成。然而，在有序液晶相区域，向列型而不是预期的手性向列液晶的特征随着固化样品边缘水蒸发而表现出来。当对干燥中的悬浮液施压时，有序区域变形，但手性向列相结构再一次消失。有序区域的偏光显微镜图像接近样品的边缘 （在偏正器和检偏镜之间用一个530纳米光减速板），如图5所示。此外，HPTMAC-CNC表现出剪切稀化现象。这可通过图6中质量比为4.9%的凝胶解释，图6表明凝胶在小瓶翻转时稳定（图6a），但在搅动时很容易流动（图6b）。

图5 HPTMAC-CNC悬浮液固化边缘 （左侧）偏振镜间的显微照片，列线状纹理显示在右侧，条码秤100mm

图6 质量比为4.9%的HPMAC-CNC凝胶在搅拌前（左）和立即搅拌后（右）的触变性行为。

流变学研究

HPTMAC－CNC的震动剪切测试结果示于图7，动态黏度（η'）、储存模量（G'）、损耗模量（G''），这些都跟角频率（ω）相反。在所有的情况下，剪切力变小能观察得到（图7a）。浓缩的样品动态浓度下降2个数量级，稀释的样品动态浓度下降了1个数量级，角频率范围为0.1－100Hz。在这个系统中剪切稀释的现象是持续的，三个剪切黏度范围通常在CNC液晶悬浮液中不能明显地观察到（例如流动域、稳定区和流动平衡区的剪切稀释现象黏度降低）。

储存模量和耗损模量随着HPTMAC－CNC浓度的增加都会降低。对于很有弹性的理想凝胶来说，独立弹性模量期望为G'∝ω0及G'＞＞＞ G''； 然而，质量比为5%的悬浮液更接近这个关系，浓度越低表现出的黏性流体性质越接近G'＜＜＜ G''（图7b）。黏度和弹性比率的特征也可用耗损正切值来量化 （tanσ=G''/G'），在所有角频率下质量比为5.0%的悬浮液耗损正切值为0.39±0.02质量比1.9%的为2.2±0.4。这表明随着浓度增加HPTMAC－CNC悬浮液的性能从黏性液体转变为弹性凝胶。

凝胶的机械强度（或弹性刚度）与储存模量有关。质量比为5.0%的HPTMAC－CNC悬浮液的值大约为10Pa，这个值与用盐酸水解棉花得到的1%的纤维素纳米晶体悬浮液观察到的值及质量比为2.5%用酶和机械联合处理从未干燥过的木浆制备的长且易卷曲的纳米纤维素纤维的值差不多。形成凝胶的趋势显然要比盐酸水解棉花纳米晶体要大（棉花纳米晶体表面电荷比HOTMAC－CNC纳米晶体的要低），比很长的酶制备的纳米纤维更大。对于质量比为1.9%的HPTMAC－CNC悬浮液， 值从10－2到10－1Pa，相比酶制备的纳米纤维素在相似浓度下G'约为103。

图 7 震动剪切测试，（a）动态黏度（η'），（b）储存模量（G'，打开符号）、损耗模量（G''，关闭符号）作为质量比为5.0%(圆)和1.9%(三角形)的HPTMAC-CNC的角频率（ω）的函数

图8 触变循环显示了作为质量比为5.%（圆）和1.9%（三角形）HPTMAC-CNC 的剪切率（γ）的函数剪切黏度（η'）。 打开符号是剪切增加 （0.1-100s-1），关闭符号是剪切降低（100-0.1s-1）。

质量比5.0%的HPTMAC-CNC悬浮液表现出定性触变流体的行为 （图6）。一些触变性的流变证明通过观察增加和降低剪切率直接的黏度滞后得到。那样观察得的触变循环如图8所示。此外，触变测量值能让我们研究作为剪切率函数的剪切强度，表明低浓度的HPTMAC-CNC表现出比高浓样品更接近牛顿流体行为。

以前的CNC悬浮液触变性研究表明纳米晶体的制备方式能引起凝胶性能的变化，通常都是表面电荷密度发生变化。尽管用盐酸和硫酸水解的CNC都表现出剪切稀化，盐酸悬浮液的触变性质量比超过0.5%，反触变性质量比低于0.3%。这个效果归因于盐酸系统中电荷的降低和内部粒子的聚合。在本研究中，更低浓度范围的HPTMAC-CNC还没有验证过，然而功能化系统中触变性的存在与电位数值些许下降相符（从-39mV到30mV）。在剪切率为10s-1下，质量比为1.9%的HPTMAC-CNC的黏度为0.06Pas，这比质量比为1.6%的硫酸水解得到的CNC大20倍，且与质量比为0.7%用盐酸水解得到的CNC差不多。

离子交换和脱硫研究

当在EPTMAC处理之前脱硫，HPTMAC-CNC悬浮液表现出与未经过脱硫过程的相应的功能化悬浮液表现出相同的凝胶性能。这表明CNC上剩余的阴离子基团与凝胶机理无关。

另一方面，用氢氧根离子交换氯离子，得到的悬浮液明显有不同的性能。（用盐酸电导滴定来确认氯离子是否氯离子完全被氢氧根离子替换了）。与原始HPTMAC-CNC的凝胶能力很强，在质量比为3.5%时凝胶，与之不同的是离子交换悬浮液更不容易凝胶；质量比约到5%时才开始凝胶。此外降低以上所说的电荷效果，离子的性质在功能化CNC凝胶的形成过程中起很重要的作用。

结论

在水溶液中用EPTMAC表面阳离子化CNC因阳离子三氯甲胺基团成静电稳定状态。温和的碱性阳离子化环境保护了纤维素纳米晶体的晶体形态和尺寸，而使得表面阴离子硫酸酯基团大量水解。与最初的CNC原料的阳离子表面电荷密度相比，阳离子化会使得总阳离子表面电荷密度轻微的降低。在很容易观察到初始阴离子纳米晶体浓度的地方，这些阳离子纳米晶体悬浮液形成凝胶的趋势明显抑制了手性向列相液晶阶段的形成。决定棒状胶体种类的相对趋势而不是形成有序的液体过程的因素不怎么好理解。然而，在这个系统，棒状几何体没有改变，只有唯一的形式存在于纳米晶体中，离子和水。显然，较低的静电斥力，季铵离子取代基的性质和平衡离子有助于观察到的凝胶。

谢清萍编译自：This journal is a The Royal Society of Chemistry 2008，Soft Matter,2008,4,2238–2244