竹浆制备纳米纤维素晶体的研究(摘要)

卓治非

(1.中国林业科学研究院，北京 100091；2.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所，江苏 南京 210042)

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竹浆制备纳米纤维素晶体的研究(摘要)

Manufacture of Nano-crystalline Cellulose from Bamboo Pulp(Abstract)

卓治非

(1.中国林业科学研究院，北京 100091；2.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所，江苏 南京 210042)

我国竹类资源丰富，被誉为“竹子王国”，但目前对竹材高附加值产品的开发研究较少。另一方面，纳米纤维素晶体(NCC)在众多领域中显现出巨大的应用前景，附加值高，成为国内外的研究热点。因此利用竹浆制备NCC，有利于提高竹类资源的综合利用价值。

以竹子溶解浆为原料，分别采用酸法、球磨酶解法和PFI酶解法制备NCC。在单因素实验的基础上，通过响应面实验和正交实验优化工艺参数。酸法制备NCC的最佳工艺参数：温度53 ℃、时间128 min、硫酸浓度60%，在此条件下NCC的产率为55.83%。球磨酶解法制备NCC的最佳工艺参数：酶用量9.6 FPU、酶解温度50 ℃、酶解时间24 h，在此条件下NCC的产率达到17.98%。PFI磨酶解法制备NCC的最佳工艺参数为：PFI转数9 000 r，酶用量2.736 FPU、酶解时间3 d、酶解温度50 ℃，在此条件下NCC的产率达到19.13%。

采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR) 及热重分析仪(TG)对竹浆、预处理竹浆及NCC进行性能表征。研究发现，粉碎后的竹浆保持了原纤维的基本形态，部分纤维长链被切断；竹浆经过球磨预处理后，形成近球形颗粒，尺寸变小，约为5～10 μm；PFI磨预处理后的竹浆纤维被切断，纤维表面发生帚丝化；PFI-酶解后的残渣尺寸相对于PFI预处理后的纤维变得更小，长度大约在20 μm以内，宽度为几微米。由AFM图可知，酸法制备的NCC尺寸较为均一，为棒状，长度约为100～200 nm，宽度为10 nm以内；球磨-酶解法制备的NCC尺寸较酸法的大，呈球形，直径约为800～1 000 nm；PFI-酶解法制备的NCC尺寸较球磨-酶解法的小，较酸法的大，呈球形，直径约为400～600 nm。XRD表明，竹浆、不同方法预处理的竹浆及不同方法制备的NCC都属于纤维素Ⅰ型。通过结晶度计算，酸解-NCC的结晶度由竹浆的64.27%提高到72.04%；球磨酶解-NCC的结晶度由竹浆的64.27%降低到43.34%，球磨预处理破坏了纤维素的结晶结构；PFI酶解-NCC的结晶度由竹浆的64.27%提高到73.95%；预处理竹浆的结晶度均较竹浆原料低。红外图谱表明，竹浆、不同方法预处理的竹浆及不同方法制备的NCC具有基本一致的特征吸收峰，说明保持了纤维素的基本化学结构。热性能研究表明，PFI预处理的竹浆，热稳定性高于竹浆原料。而球磨预处理的竹浆及不同方法制备的NCC，起始降解温度及剧烈失重温度均较竹浆原料低，但热分解结束时的残余质量较竹浆原料大，并且在不同的温度范围内表现出不同的热稳定性。

通过HPLC分析最优条件下球磨酶解法及PFI酶解法制备NCC产生的水解液。发现其主要成分为葡萄糖，占还原糖总量的70.13%、71.06%，其次为纤维二糖16.19%、12.39%，木糖11.55%、7.68%。水解液中的糖可用于开发糖基材料。

竹子溶解浆；纳米纤维素晶体；纤维素酶；工艺优化；性能表征

指导老师：房桂干(1966—)，男，江苏兴化人，博士，博士生导师，主要从事木质纤维材料的化学利用；E-mail：fangguigan@icifp.cn。