芦苇浆纳米纤维素超声法制备工艺优化及表征

刘志明，王海英，孟 围，谢 成

(1.东北林业大学材料科学与工程学院，生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150040;2.东北林业大学林学院，黑龙江哈尔滨150040)

超声化学处理作为制备纳米材料的一种十分有效的技术，具有操作简单、易于控制、效率高，可以细化纳米粒子，促进纳米粒子晶型转化等优点，广泛用于辅助纳米材料的制备［1］。响应面法(response surface methodology，RSM)最早是由数学家Box和Wilson于1951年提出来的，是能够解决线性和非线性多元回归问题的建模工具，通过数学模型，精确地表述因素和响应值之间的关系，同时可根据数学模型控制响应值，选择不同的操作参数，寻求最佳工艺参数。一般先通过单因素法选出对响应值有最大影响的因素，然后根据因素水平数和实验点的不同，来选择合适的实验方法［2-3］。童洋等［4］采用响应面法优化螺旋藻中叶绿素的超声提取工艺。隋鑫金等［5］采用响应面法研究了工业碱木素热化学转化制备酚类化学品的工艺优化。响应面法最常用的是星点设计(central composite design，CCD)，与星点设计相比，Box-Behnken 设计(box-behnken design，BBD)所需的实验次数相对较少，效率高且所有的影响因素不会同时处于高水平，所有的实验点都落在安全操作区域内，Box-Behnken设计也正被广泛应用［6-7］。纤维素是环境友好型高分子化合物，纤维素在一定条件下进行酸水解，当聚合度下降到趋于平衡时所得到的产品称为微晶纤维素(microcrystalline cellulose，MCC)，通常其粒径大小一般在20～80 μm之间。当纤维素具有纳米尺度时，称为纳米纤维素(nanocrystalline cellulose，NCC)，其粒径大小一般在30 nm ～100 nm之间［8］。纳米纤维素按其形貌可以分为纳米纤维素晶体(晶须)、纳米纤维素复合物和纳米纤维素纤维。强酸水解植物、细菌、动物纤维素和微晶纤维素可制备纳米纤维素晶体(晶须)。这种晶体长度为10 nm～1000 nm，横截面尺寸5 nm ～20 nm，长度与横截面尺寸的比为1∶1～100∶1。天然高分子纳米纤维素晶体(晶须)具有非常高的强度，可以作为新兴的纳米精细化工产品［9］。纳米纤维素在聚集态结构与物性上的特殊性，如高弯曲强度等［10-12］，且具有可降解、生物相容性好等特点［13-15］，使其在功能材料等领域具有广阔应用前景。本项研究以芦苇浆为原料，利用超声辅助硫酸水解法制备纳米纤维素，响应面法优化制备工艺条件，为纳米纤维素及其功能材料的制备提供基础数据。

1 实验

1.1 材料与仪器

漂白芦苇浆(黑龙江省牡丹江恒丰纸业集团有限责任公司);硫酸(分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心)。

101-2A型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司);KQ-200VDE型三频数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);Scientz-ΙΙD超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司);FD-1A-50冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司);Magna-IR560型傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力Nicolet仪器有限公司);D/max-RB X ( Rigaku限公司);H-7650型透射电子显微镜(日本日立Hitachi仪器有限公司)。

1.2 纳米纤维素的制备

将一定质量浓度的硫酸溶液倒入装有一定质量芦苇浆的烧杯中，在超声清洗仪中超声预处理一定时间，然后在一定温度下水解，得到悬浮液，离心洗涤至pH值6～7，对产物进行超声波处理数分钟，得到稳定的纳米纤维素胶体，真空冷冻干燥后得到固体纳米纤维素。

1.3 单因素实验

在相同的水解时间下，分别以不同的超声预处理时间(20 min、30 min、40 min)、硫酸浓度(50%、55%、60%)和反应温度(45℃、50℃、55℃)为单因素，考察各因素对纳米纤维素得率的影响。

1.4 Box-Behnken 设计实验

在单因素实验的基础上，确定Box-Behnken设计的自变量，以纳米纤维素得率为响应值，响应面法进行纳米纤维素制备工艺条件的优化。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 超声时间对纳米纤维素得率的影响

在硫酸浓度55%，反应温度50℃，水解时间4 h，研究不同超声时间对NCC得率的影响，实验结果见表1。由表1可知，随着超声时间的逐渐延长，NCC得率先升高后降低，超声时间为30 min时，NCC得率最高为73.95%。这可能是由于芦苇浆置于55%的浓硫酸中，用超声波进行预处理时超声波会超声次空化，使得纤维素分子间的氢键减弱［16］，同时超声波可以提高纤维素表面的可及度，使得高浓度氢离子更有效的进入纤维素的无定形区，破坏氢键，结晶区中存在晶形缺陷的部分逐渐水解，而规整的晶区结构得到保留［17］，即水解得到纳米纤维素，所以提高了得率。但是随着超声时间的延长，纤维素分子间氢键减弱到最低值时，纤维素表面可及度几乎不会增加，与此同时将会有更多高浓度氢离子进入纤维素链内，将会使得纤维素无定形区先被水解后有更多晶区的纤维素被酸解成更多水溶性糖类物质，所以得率将会降低。因此，超声预处理时间应在30 min时为最佳。

2.1.2 硫酸浓度对纳米纤维素得率的影响

超声时间30 min，反应温度50℃，水解时间4 h表1。由表1可知，随着硫酸浓度的逐渐增加，NCC得率先升高后降低，当硫酸浓度为55%时，NCC得率最高为72.90%。这可能是由于硫酸溶液的浓度较高时，发生均相水解，纳米纤维素一部分降解为葡萄糖［15］。因此，硫酸浓度以55%为最佳。

2.1.3 反应温度对纳米纤维素得率的影响

超声时间30 min，硫酸浓度55%，水解时间4 h，研究反应温度对NCC得率的影响，实验结果见表1。由表1可知，随着反应温度的逐渐升高，NCC得率先升高后降低，当反应温度为50℃时，NCC得率最高为73.10%。纤维素的超分子结构，是由结晶区和无定形区交错综合的体系［18］，最初的水解过程除去的是纤维素的无定形区，进一步水解导致一些易于可及的非结晶区的长链的葡萄糖部分断裂［19］，所以随着温度的升高，NCC得率会逐渐升高;但温度继续升高时，纤维素进一步水解为葡萄糖，所以导致NCC得率降低［15］。因此，反应温度以50℃为最佳。

NCC超声法制备机理如图1所示。

图1 NCC超声法制备机理

2.2 响应面法优化纳米纤维素制备工艺条件

2.2.1 响应面分析因素水平的选取

在单因素实验的基础上，选取超声时间(X1)、硫酸浓度(X2)、反应温度(X3)3个因素进行Box-Behnken设计，利用 Design-Expert 7.0.0 软件进行数据拟合，以-1、0、1分别代表自变量的低、中、高水平，响应面分析因素与水平见表2。

表2 响应面分析因素与水平

2.2.2 响应面分析方案及结果

以X1、X2、X3为自变量，以NCC得率为响应值(Y)，采用Box-Behnken设计，响应面分析方案及实验结果见表3。

表3 响应面分析方案及实验结果

对实验数据进行拟合回归，回归方程为:

对该模型进行方差分析，回归方程中各变量对响应值影响的显著性，由F值来判定，概率P值越小，则相应变量的显著程度越高。模型的一次项X1超声时间、X2硫酸浓度、X3反应温度的P值依次减小，因此，对于纳米纤维素得率，反应温度对其影响最大，其次是硫酸浓度，超声时间对其影响最小;二次项X12显著，X22极显著，X32不显著;交互项X1X2、X1X3不显著，X2X3极显著。从纳米纤维素得率的实际值与预测值拟合情况可知，实验值和预测值拟合良好。整体的回归方程的P值小于0.01，决定系数R2为0.91，响应变量高于0.80，证明此模型显著，可充分地反映各变量之间的关系［20］。

在响应面优化出来的超声预处理硫酸水解芦苇浆制备纳米纤维素的最优工艺条件为超声时间32.03 min、硫酸浓度 52.18%，反应温度 53.87 ℃，但考虑到实际操作的便利，将最佳工艺条件修正为超声时间32 min、硫酸浓度52%，反应温度54℃。在此工艺条件下，实际测得纳米纤维素得率平均值为78.67%，与响应面模型预测的值79.86%相接近，所以响应面实验设计准确。预测值与实验值之间的差异可能由实验操作等因素引起。

根据拟合函数，每两个因素对纳米纤维素得率做出响应面。考虑到定性分析各因素纳米纤维素得率的关系，固定另外两个因素时，均做“0”处理，具体因素水平见表3，图2～图4直观地反应了各因素对响应值的影响。从图2～图4可知，各因素间均具有较强的交互作用。

图2 超声时间(X1)和硫酸浓度(X2)对纳米纤维素得率的影响(X3=0)

图3 超声时间(X1)和反应温度(X3)对纳米纤维素得率的影响(X2=0)

图4 硫酸浓度(X2)和反应温度(X3)对纳米纤维素得率的影响(X1=0)

2.3 性能表征

2.3.1 傅里叶变换红外光谱分析

从NCC和MCC傅里叶变换红外谱图可知，NCC 在 3420 cm-1、2890 cm-1、1630 cm-1、1430 cm-1处有较强吸收峰，与MCC的峰值基本一致，而3420 cm-1、2900 cm-1、1430 cm-1分别是羟基、C—H、纤维素葡萄糖上—CH2吸收峰［21］，说明所得产品是纤维素类物质［22］。

2.3.2 X 射线衍射分析

从NCC的X射线衍射图谱可知，NCC中2θ=14.8°，16.3°和 22.6°处的衍射峰分别对应Ⅰ型纤维素晶面的衍射峰［23］，说明超声辅助硫酸水解芦苇浆制备的纳米纤维素为纤维素Ⅰ型。依据参考文献［24］计算 NCC 结晶度是 69.36%。

2.3.3 透射电子显微镜分析

图5为NCC的透射电子显微镜图。

由图5可知，超声辅助硫酸水解芦苇浆制得的纳米纤维素呈棒状，与未超声制备的纳米纤维素相比，形貌更规整。

图5 未超声(a)和超声(b)制备的NCC透射电子显微镜图

3 结论

纳米纤维素在聚集态结构与物性上的特殊性，使其在食品、化妆品、造纸和生物医学材料等产业领域具有广阔的应用前景，因此芦苇浆除了作为纸浆造纸外，还可用于生产高附加值的纳米纤维素及其功能材料。响应面法优化超声辅助硫酸水解芦苇浆制备纳米纤维素结果表明:对于纳米纤维素得率，反应温度对其影响最大，其次是硫酸浓度，超声时间对其影响最小;响应面法优化超声辅助硫酸水解芦苇浆制备纳米纤维素的最佳工艺条件为超声时间32 min，硫酸浓度52%，反应温度54℃，纳米纤维素得率最高，为78.67%。最佳工艺条件制备的纳米纤维素为纤维素Ⅰ型;形貌规整，呈棒状，交织成网状。芦苇浆纳米纤维素超声法制备工艺优化模型为芦苇浆纳米纤维素的产业化提供新思路。

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