硫酸水解法制备纳米纤维素晶体的谱学性能研究*

金 浩,黄广华

(漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)



硫酸水解法制备纳米纤维素晶体的谱学性能研究*

金 浩,黄广华

(漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)

利用超声波辅助硫酸水解微晶纤维素制备纳米纤维素晶体，并采用场发射透射电子显微镜(FETEM)、场发射环境扫描电子显微镜(FEGE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对所制备的纳米纤维素晶体进行表面形貌、尺寸、结构、化学组成等方面的普学性能分析。分析结果表明：纳米纤维素晶体呈短棒状，直径和长度主要分布在2～24 nm 和50～450 nm，属于纤维素Ⅰ型，仍然具有纤维素的基本化学结构。

酸水解；纳米纤维素晶体；谱学性能

目前对纤维素进行研究的热点之一是通过各种方式制备性能优异的纳米纤维素晶体。当前主要有三种方法制备纳米纤维素晶体，第一种是物理法制备微纤化纳米纤维素晶体；第二种是化学法制备纳米纤维素晶体；第三种是细菌法制备纳米纤维素晶体[1-2]。天然纤维素由晶体区和无定形区构成，这种大分子结构依靠其分子内和分子外的氢键以及弱作用力的范德华力[3-4]。通过酸水解的方式可以选择性地降解无定形区而得到纤维素晶体，这些纤维素晶体通过超声波等物理方法进一步处理可得到纳米级纤维素晶体。本论文采用微晶纤维素为原料，利用超声波辅助硫酸水解方法制备纳米纤维素晶体，并对其谱学性能进行了分析。

1 实 验

1.1 纳米纤维素晶体的制备

1.1.1 实验材料及仪器

材料：微晶纤维素(MCC)，河北长荣化工有限公司；硫酸，长乐德润化工有限公司。

仪器：超声波，KQ-250DB型台式数控超声波，昆山市超声仪器有限公司；离心机，TD型高速离心机，常州市万丰仪器制造有限公司。

1.1.2 制备方法

将MCC与浓硫酸溶液(质量分数为64%)以1:1的比例混合均匀，在一定温度下超声波处理3 h，然后高速离心，再进行超声5 min，得到pH 值约为6～7 的纳米纤维素晶体胶体，最后用去离子水作为透析液将胶体透析数天，经冷冻干燥得到粉末状NCC。

1.2 纳米纤维素晶体的谱学性能研究

利用Tecnai G2F20型场发射透射电子显微镜(FETEM)和XL30 ESEM-FEG型场发射环境扫描电子显微镜(FEGE-SEM)对所制备的纳米纤维素晶体的表面形貌、尺寸、分散情况进行分析；采用荷兰飞利浦公司X’Pert Pro MPD 型X射线衍射仪(XRD)对试样的晶体结构进行分析；利用Nicolet 380型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对试样的结构组成进行分析。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维素晶体的表面微观形貌与尺寸

通过场发射透射电子显微镜(FETEM)和场发射环境扫描电子显微镜(FEGESEM)观察纳米纤维素晶体，其表面微观形貌分别为图1、图2所示，其直径与长度尺寸分布如图3所示。

图1 硫酸水解法制备NCC的场发射透射电镜图

图2 硫酸水解法制备NCC的场发射环境扫描电镜图Fig.2 FEGE-SEM images of NCC prepared by sulfuric acid hydrolysis method

图3 硫酸水解法制备NCC的直径与长度尺寸分布

2.2 X射线衍射分析

图4 NCC的XRD图谱

样品结晶度/%晶粒尺寸/nm101101002H2SO4-NCC77.296.13.35.7

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

微晶纤维素与纳米纤维素晶体利用傅里叶变换红外光扫描得到如图5所示。

由图5可知，3347 cm-1附近有一主要的峰，可知结构中含羟基。2900 cm-1附近有对称伸缩振动吸收峰，说明结构中含有亚甲基(-CH2-)的C-H。1058 cm-1有一个伸缩振动吸收峰，说明结构中含有C-O， 1112 cm-1对应纤维素分子内醚的C-O伸缩振动，1165 cm-1对应C-C骨架， 1430 cm-1对应饱和C-H的弯曲振动峰，895 cm-1对应纤维素异头碳(C1)的振动频率[8-9]。由图5可知，纳米纤维素晶体谱图上的特征峰与天然纤维素相比并没有明显变化，说明NCC仍然具有纤维素的基本化学结构。

图5 MCC和NCC的红外光谱图

3 结 论

(1)采用场发射环境扫描电子显微镜(FEGESEM)和场发射透射电子显微镜(FETEM)观察硫酸水解法制得的纳米纤维素晶体呈短棒状，测量统计分析其直径与长度分布，NCC直径为2～24 nm，其中约30%为3～6 nm；长度主要为50～450 nm，其中约有65%长度小于200 nm。

(2)X射线衍射图谱表明硫酸水解法制得的纳米纤维素晶体属于纤维素Ⅰ型。与微晶纤维素相比，NCC的结晶度有较大程度的提高，晶区宽度平均为6个晶胞组成。

(3)傅里叶变换红外光谱图表明硫酸水解法制得的纳米纤维素晶体谱图上的特征峰与天然纤维素相比并没有明显变化，说明NCC仍然具有纤维素的基本化学结构。

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Study on Spectrum of Nanocellulose Crystal Prepared with Sulfuric Acid Hydrolysis*

JINHao,HUANGGuang-hua

(Zhangzhou Institute of Technology, Fujian Zhangzhou 363000, China)

Nanocellulose crystal was prepared from microcrystalline cellulose by sulfuric acid hydrolysis assisted with ultrasound. Furthermore,the surface topography, size, crystal structure and spectral properties of Nanocellulose crystal were analyzed with field emission transmission electron microscopy(FETEM), field emission gun environment scanning electron microscopes(FEGE-SEM), X ray diffraction(XRD) and Fourier transformation infrared spectroscopy(FTIR). The results showed that the NCC were rod like,and the diameter was about 2～24 nm, with the length of 50～450 nm. NCC was characteristic of the celluloseⅠcrystal form, NCC still kept with the basic chemical structure of cellulose.

sulfuric acid hydrolysis；nanocellulose crystal；spectrum

漳州职业技术学院校级科研项目(ZZY1512)。

金浩(1982-)，男，硕士研究生，漳州职业技术学院讲师，研究方向：林产化学加工工程。

O62

A

1001-9677(2016)020-0046-03