酶解法与TEMPO氧化法制备纳米纤维素膜的比较研究1

贾梦雨， 陈小泉*， 童 欣

（华南理工大学 制浆造纸国家重点实验室，广东 广州 510640）

纤维素是世界上储量最大的天然高分子，各国研究者正积极关注和探索如何在化工、造纸、食品、纺织等领域中对它进行高效和高值化利用[1-2]。纳米纤维素由于高的拉伸强度、良好的生物相容性、高比表面积和低热膨胀系数等特点而得到研究人员的青睐[3]；纳米纤维素形成的膜因其高强度、高透明性、易降解等优点，在复合材料增强、柔性屏幕基底、新型包装材料和新型传感器材料等方面具有很高的应用潜力[4-5]。TEMPO氧化结合高压均质是目前较成熟的一种制备纳米纤维素的方法；酶水解法与之相比，反应条件温和，能耗较低且没有污染，作为一种绿色环保的纳米纤维素制备方法也受到研究者们越来越多的关注。此外，不同形貌的NCC会有不同的特性，使其在应用方面会有所差别，因此对不同形貌纳米纤维素的制备方法及性质的研究具有重要意义。

本研究以桉木浆为原料，利用高浓度酶活（500 μ/mL）制备球形纳米纤维素（NCC-H）粒子，低浓度酶活（10 μ/mL）制备棒状纳米纤维素（NCC-L）粒子，TEMPO氧化法制备纳米纤维素纤维（NCF），并用三种纳米纤维素原料真空抽滤成膜，比较不同纳米纤维素的FT-IR、XRD及其膜的热学性能、力学性能等，为后续进一步研究纳米纤维素的应用提供相关基础数据和参考。

1 实验

1.1 原料、试剂和仪器

原料：桉木浆，购自山东中纸人和制浆造纸有限公司。

试剂：纤维素酶和木聚糖酶，购自宁夏夏盛实业集团；TEMPO为化学纯，购自Aladdin试剂有限公司；NaBr、NaCLO、NaOH和丙三醇均为分析纯，购自广州化学试剂厂。

仪器：恒温水浴振荡器（SHA-C，国产），高速离心机（TD5A-WS，国产），超声波细胞破碎仪（DH92-IID，国产），精密pH计，电动搅拌器，纳米微射流均质机，循环水式真空泵（SHZ-D，国产），砂芯活动过滤装置，真空干燥箱（DZF-6050，国产），傅里叶变换红外光谱仪（NicoLet At360，美国），X-射线衍射分析仪（D8 ADVANCE ，Brμker AXS，德国），扫描电子显微镜（SEM-MerLin，Zeiss，德国），热重分析仪（TA Q500，美国），紫外可见分光光度计（S-3150，国产），万能材料试验机（5565型，美国）。

1.2 实验方法

1.2.1 纳米纤维素的制备

酶解法制备不同形貌的纳米纤维素：取4 g绝干桉木浆（打浆度75°）置于1 L烧杯中，加入去离子水和丙三醇各200 mL，在恒温水浴振荡器中以35℃、150 r/min振荡4小时以对纤维进行润胀预处理[6]。反应结束5 000 r/min离心，弃去上清液后洗涤下沉淀中多余的丙三醇，重复3次。将润胀洗涤好的桉木浆置于1 L烧杯中，加入400 mL一定浓度的复合酶溶液[7]，在恒温水浴振荡器中以50℃、150 r/min振荡反应。当酶活和反应时间为500 μ/mL-5 h时得到球形NCC-H，当反应条件为10 μ/mL-12 h时得到棒状NCC-L。90℃失活15 min结束反应。5 000 r/min离心15 min，弃去上清液后洗涤下沉淀中残留的酶液和还原糖，重复上述步骤4次。最后取离心得到的较纯净的上清液，加入适量去离子水并在超声细胞破碎机中超声1 min，得到稳定的NCC溶液。

TEMPO氧化法制备纳米纤维素：取12 g绝干桉木浆（打浆度75°）置于2 L烧杯中，加入0.18 g TEMPO、1.2 g NaBr、50 mL NaClO，一定量的去离子水调节浆浓至1%。反应时用电动搅拌器以350 r/min持续搅拌，精密pH计监测pH值，用0.5 moL/L的NaOH溶液控制反应体系pH始终在10.0左右，当至少超过10 min pH值的变化波动小于0.02，即表明氧化反应结束。用去离子水抽滤洗涤氧化浆4～5次并调节至0.5%浆浓，在纳米微射流均质机中以60 Bar压力循环处理4次即得到稳定的NCF溶液。

1.2.2 纳米纤维素膜的制备

采用真空抽滤法制备纳米纤维素膜：砂芯上放置一张0.22 μm孔径的微孔滤膜，取一定量的纳米纤维素溶液，用循环水式真空泵进行抽滤。待滤膜上的胶体失水浓缩成果冻状的薄层时和滤膜一起取下，在薄层上盖一层微孔滤膜，再上下各垫两张普通滤纸，放入真空干燥箱后压上玻璃板，50℃下干燥12 h。揭下滤纸后即得到透明的纳米纤维素薄膜，将膜放在恒温恒湿室（25±1℃，50%±2%相对湿度）中24 h平衡水分。

1.2.3 纳米纤维素及其膜的表征

采用FT-IR对冷冻干燥的纳米纤维素粉末进行表征，波长范围400 nm～4000 nm；采用XRD对纳米纤维素粉末进行表征，角度范围2θ＝5°～45°；配制少量0.05%浓度的纳米纤维素溶液，取1～2滴到干净的云母片上，干燥后粘贴到导电样品台上并进行喷金处理，用扫描电子显微镜观察纳米纤维素的形貌；采用热重分析仪对纳米纤维素薄膜进行 TG分析，升温速率 10℃/min，温度范围室温～600℃，使用氮气氛围保护；将纳米纤维素膜裁剪成4 cm×1 cm的矩形条，在恒温恒湿室内用万能材料试验机对纳米纤维素膜进行机械性能测试。

2 结果与讨论

2.1 纳米纤维素膜形貌分析

图1a是NCC-H及其膜的SEM图片，制备该样品酶浓度是500 μ/mL，从图中可以清晰的看见球形纳米纤维素粒子，直径几乎都在100 nm以下，通过它制备的纳米纤维素膜，表面十分致密。图1b是NCC-L和膜的SEM图片，制备该样品酶浓度是10 μ/mL，纤维大约在200～400 nm长度，直径约在20～50 nm范围。图1c是TEMPO法制备的纳米纤维素及其膜的SEM图，可以看到纤维更加纤细，长度与NCC-L相近。酶解法制备的二种 NCC在形貌上差别较大，由于在相对高酶活条件下酶水解反应更加强烈，纤维素分子和酶分子的结合点数更多[8]，纤维素更易被水解成球形粒子NCC-H，但酶浓度过高或水解时间过长，纤维素将被彻底分解为还原糖而降低NCC得率，因此酶浓度500 μ/mL和酶解时间5 h为制备出NCC-H的较适宜条件；而在相对低酶浓度下（10 μ/mL），少量的酶分子只能作用无定形区并将其切断，形成棒状或条形纳米纤维素。NCF是经过均质机的机械力作用制得，明显产生了分丝帚化，其形貌更加类似于纤丝状，直径有一定程度下降。观察三种膜的SEM图可以发现，NCC-H膜的粒子之间是紧密的堆叠排布，NCC-L和NCF膜则基本是纳米纤维素互相交织在一起。这些结构的差异也就决定了它们性能的差异。

图1 纳米纤维素及其膜SEM图

2.2 不同条件制备的纳米纤维素FT-IR分析

酶解法和TEMPO法制备的纳米纤维素以及原纤维的FT-IR图谱如图2所示，可以看到三种纳米纤维素的曲线与原纤维的曲线形状基本一致，由于制备方法的差异，得到的纳米纤维素吸收峰强度和位置则有所差异，但制备的纳米纤维素仍然具有纤维素的基本化学结构。3000～3500 cm-1范围出现的吸收峰是吸附水的O-H伸缩振动产生的，1638 cm-1附近的峰也是所含吸附水O-H引起的弯曲振动而产生[9]，可以看到TEMPO法制备的NCF在这两处峰强度是最大的，表明其吸附水能力很强，NCC-H的在这两处峰较弱，说明其更加容易干燥脱水，这可能会带来不同方向的应用前景；2890 cm-1处的峰是C-H伸缩振动引起；1430 cm-1附近为-CH2的弯曲振动峰，该处谱带强度与纤维素结晶度相关，红外数据表明此处NCC-L的峰强度最大；1161 cm-1处为纤维素中环状C-O-C的不对称伸缩振动峰；1065 cm-1附近为纤维素中环状C-O和C-H伸缩振动峰[10-11]；898 cm-1处的峰为纤维素中糖苷键伸缩振动引起[12]。

图2 不同条件制备的纳米纤维素FT-IR谱图

图3 不同条件制备的纳米纤维素XRD谱图

2.3 不同制备条件的纳米纤维素XRD分析

图3为不同条件下制备的纳米纤维素和原纤维的X-射线衍射图。可以看到，在2θ＝6°附近形成了强度较弱且宽的的衍射峰，在2θ＝22.5°左右出现了较强的尖锐衍射峰，在2θ＝34°附近还有一个较弱的衍射峰，这是典型的天然纤维素的Ⅰ型结构[13-15]。相比于原纤维，峰出现的角度位置基本没有变化，这表明在酶解过程和TEMPO氧化等不同的条件下，纤维素的晶型结构都没有被破坏，保留了天然纤维素的Ⅰ型结构。其中，NCC-L曲线的峰强度最强，NCC-H曲线衍射峰强度要低于NCC-L的峰强度，可能的原因是：酶浓度过高导致的反应比较强烈，部分纳米纤维素的结晶区有一定程度的破坏，而低浓度的酶液反应条件较温和，主要水解作用于无定型区，结晶区基本保持了完整。TEMPO法的纳米纤维素结晶区峰强度有一定下降，可能高压均质过程除了对无定形区有破坏以外，对纤维素的结晶区破坏比酶解过程更大，导致结晶度下降。

2.4 纳米纤维素膜热重分析

图4反应了3种纳米纤维素膜的热重分析图谱。从图4a可以看到，由初始至260℃，NCC-H膜的TG曲线缓慢的小幅下降，DTG曲线比较平稳基本没有变化，表明NCC-H膜在此温度范围内有较好的热稳定性；此后曲线迅速变化下降，至DTG曲线出现失重速率峰值，对应的温度343.3℃即为膜的最高降解速率温度。图4b的TG曲线走势与图4a相似，从初始至255℃曲线缓慢下降，DTG曲线则保持平稳；之后迅速下降，说明NCC-L膜的初始降解温度为255℃，最高降解速率温度为出现失重速率峰值的340.5℃。图4c中TG曲线从205℃左右开始有了迅速变化，NCF膜的DTG曲线有两个峰值，分别在243.7℃和302.4℃。

3种膜当中，酶解法制备的2种不同形貌的薄膜热解温度相差不大，初始降解温度约相差5℃，最高降解速率温度相差2.8℃；而以TEMPO氧化法制备的薄膜相比酶解法的初始分解温度与解温度均有不同程度的降低，可能的原因是TEMPO法制备过程中经过了高压均质，使得纤维素表面外露的活性基团增加，并且TEMPO也能将C6位上的伯醇羟基氧化成为羧基，羧基的降解温度较低，与酶解法相比，TEMPO法的机械处理结合氧化反应整体上降低了其膜的热稳定性[16-17]。

图4 不同纳米纤维素膜的热重分析图

2.5 纳米纤维素膜机械性能分析

表1是不同纳米纤维素抽滤制备的膜物理性能比较。从中可以看到， NCC-H得到的膜拉伸强度较低，30 μm和60 μm厚的膜拉伸强度为0.74 MPa和2.98 MPa。厚度的增加对于颗粒原料的NCC-H膜强度提升明显，厚度增加1倍，膜拉伸强度提高了302.7%，这可能是因为，随着厚度的增加，颗粒纳米纤维素比较面积很大，聚集程度增大，氢键增加，提升了膜的强度。NCC-L所成膜的拉伸强度比NCC-H膜大幅提升，30 μm和60 μm厚的膜拉伸强度分别为22.61 MPa和36.67 MPa，可能是NCC-L膜内部多是相对较长的纤维形成了物理交织，在强度上有一定的提升；但厚度对于膜强度的提升相比之前有所下降，厚度增加1倍，拉伸强度提高了62.2%。3种膜相同厚度的情况下，NCF膜强度最大，30 μm和60 μm厚度的膜拉伸强度为34.06 MPa和51.59 MPa，厚度提高1倍，拉伸强度提高了51.46%。

弹性模量反应了材料抵抗形变的能力，数值越大则材料的变形相对越小。NCC-H膜的弹性模量最低，而酶解法制备的NCC-L膜比TEMPO法制备的NCF膜弹性模量更高，30 μm厚度的高161.65%，60 μm厚度的高150.53%，说明酶解法NCC-L膜抗形变能力更强。可能的原因是棒状NCC-L的直径要大于纤维丝状NCF的粒子直径，因而具有有更大的刚性，更难以发生拉伸形变。

表1 不同膜的机械性能

3 结论

以桉木浆为原料，采用酶解法和TEMPO氧化法制备了三种不同形貌的纳米纤维素及对应的膜。分析了纳米纤维素的微观形貌、FT-IR和XRD图谱，测试了不同膜的热学性能与力学性能。通过比较发现：

1）低浓酶活制备的棒状NCC-L结晶度最高，高浓酶活的球形NCC-H次之，TEMPO氧化法对纳米纤维素结晶区破坏最大。

2）酶解法制备的NCC薄膜的初始热降解温度在255℃至260℃，最高降解速率温度分别为340.5℃和343.3℃，且都优于TEMPO氧化法制备的NCF膜的初始分解温度205℃和最高降解速率温度243.7℃/302.4℃。酶解法制备的纳米纤维素膜有更高的热稳定性。

3）机械性能测试表明，同等厚度下，NCF膜拉伸强度最大，但是NCC-L膜的弹性模量更高，表明有更好的抗形变能力。