DES/TEMPO法制备纳米纤维素及其性能研究

李佩燚， 雷镐哲， 简博星， 刘瑞岩， 周苗苗， 刘鹤震

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710021)

0 引言

随着不可再生石油资源的枯竭，生态环境问题日益严重，开发高价值的生物可持续资源迫在眉睫[1].纤维素是植物细胞壁的主要成分，是自然界中最丰富、分布最广的生物资源[2].纳米纤维素(CNF)是通过物理或化学方法或两种方法的组合制备的直径小于100 nm的材料.目前，制备纳米纤维素最常用的方法是化学法与物理法相结合.纳米纤维素具有优异的强度、高杨氏模量、生物相容性等，可参与大量纳米材料的制造，包括基于聚合物、金属、金属氧化物和碳材料[3,4].

近年来，由于农业废弃物原料易得，而且产量巨大，大部分被焚烧处理等不利于环境的保护.如何将农业废弃物作为原料制备纳米纤维素从而实现其高价值利用是一个非常必要的问题.豆渣是一种营养丰富的生物质资源，其主要成分包括膳食纤维(60%～70%)、蛋白质(13%～20%)、脂肪(6%～19%)、木质素(≈1%)和灰分(3.5%～5%)[5,6].本课题组前期研究成果表明，通过草酸-氯化胆碱低共熔溶剂(DES)体系，处理豆渣可以有效去除蛋白质、脂肪等物质，并且可以一步成功地提取纤维素[7].使用过的DES可有效回收再利用，显著降低生产成本和环境负担[8].该方法省去了一系列的脱脂、脱色、脱木素和漂白工序，节省了大量的时间和成本.

TEMPO是2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基，可以选择性地将纤维素表面C-6位的羟基氧化为羧基[9].该方法克服了纤维素纤维之间的强氢键，促进了纤维的分离[10]，并且由于纤维素的结晶度高，需要使用超声波机械处理将微米级纤维素纤维断裂成纳米纤维[11].TEMPO氧化法以木材为原料制备CNF的传统方法是先将原料进行蒸煮漂白制备木浆，然后使用TEMPO氧化结合机械处理制备CNF[12,13].此过程产生大量化工废液且需要大量能量，不符合当前绿色制造理念和环保要求.以豆渣为原料制备CNF，与木质原料相比，豆渣中木质素含量低，不需要传统的蒸煮工艺，只需要去除脂肪和蛋白质，因而可简化纳米纤维素的制备流程.

为了进一步提高纳米纤维素的性能，本文以DES预处理豆渣，然后使用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系结合超声处理制备豆渣CNF并成功引入羧基，对比了DES预处理后的纳米纤维素(DCF)和TEMPO氧化后的纳米纤维素(TOCN)的结构.本文为纳米纤维素的制备提供了一种绿色高效方法，亦为纳米纤维素的发展提供了新思路.

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

1.1.1 主要原料

豆渣来自黑龙江某豆浆厂，脱水后闪蒸干燥，组分为α-纤维素62.91%、半纤维素7.73%、蛋白质15.62%、脂肪5.88%、灰分3.21%；2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)(97%)，购自毕得医药有限公司；次氯酸钠、溴化钠、氯化胆碱、草酸、氢氧化钠和乙醇，均为分析级，购自天津大茂化学试剂厂.

1.1.2 主要仪器

FD-1B-50冷冻干燥机，北京博医康仪器有限公司；D/max2200PC型X射线衍射仪，日本Rigaku公司；Vertex70傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克Bruker公司；S-4800场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；JY92-IIDN细胞粉碎机，宁波新芝生物科技有限公司；DHR-1流变仪，美国TA公司；Cary100紫外-可见分光光度计，美国安捷伦公司.

1.2 低共熔溶剂提取豆渣纤维素

通过在100 mL圆底烧瓶中以1∶1的摩尔比混合氯化胆碱和草酸来合成低共熔溶剂，反应在80 ℃恒温、连续磁力搅拌下进行，直至溶液澄清透明，豆渣和DES在锥形瓶中以1∶20的比例混合，反应在100 ℃下进行30 min，搅拌速度为40 r/min.在实验结束时，使用反相溶剂-蒸馏水来沉淀纤维素.固体基质用蒸馏水洗涤直至滤液变为中性.使用蒸馏水将收集的纤维素制成0.5%浓度的悬浮液.

1.3 豆渣纳米纤维素的制备

豆渣的TEMPO氧化反应主要根据Saito等[14,15]所述方法进行，首先称取0.025 g TEMPO和0.25 g NaBr溶于500 mL去离子水中；将豆渣纤维素分散在溶液中，搅拌下缓慢加入指定量的NaClO溶液；然后用稀NaOH溶液调节反应体系的pH值，使其保持在10.0～10.2范围内；达到规定反应时间后，向体系中加入乙醇10 mL终止反应，用去离子水充分过滤，将氧化产物洗至中性；收集布氏漏斗中不溶于水的部分，平衡水分后测定水分含量，将所得的纤维素分散于去离子水中(0.5%)，使用JY92-IIDN细胞粉碎机(800W)超声处理15 min，得到纳米纤维素，4 ℃保存备用.

1.4 TOCN的羧基含量与得率测定

氧化纤维素含量按TAPPI T237标准测定，取适量氧化纤维素，用0.1 mol/L盐酸溶液处理120 min，控制纤维素浓度在1%，再用去离子水洗涤至中性，准确称取纤维素湿浆饼(精确至0.1 g)放入立式锥形瓶中；然后在锥形瓶中依次快速加入0.01 mol/L NaHCO3溶液25 mL和0.1 mol/L NaCl溶液25 mL，反应60 min后抽滤；取25 mL过滤，加1～2滴甲基红指示剂，再用0.01 mol/L盐酸溶液滴定.用公式(1)计算羧基含量(meq/100 g):

(1)

式(1)中：A为滴定25 mL滤液时的盐酸溶液量，mL；B为滴定NaHCO3-NaCl溶液时盐酸溶液的量，mL；C为纤维素湿浆饼中水的质量，g；N为滴定所用盐酸溶液的实际浓度，mol/L；W为样品的绝对干重，g.

将制备的纳米纤维素密封保存于4 ℃低温下称重，取样进行水分测定.根据式(2)计算纳米纤维素的产率Y.

(W2-W1)*100%

(2)

式(2)中：Y为纳米纤维素收率，%；W1为氧化前纤维素的绝对干重，g；W2为氧化后纤维素的绝对干重g.

1.5 豆渣纳米纤维素氧化前后理化性质分析

1.5.1 微观形貌分析

采用S-4800型扫描电子显微镜，观察TEMPO氧化前后纤维的表观形貌，样品经冷冻干燥后进行表面喷金，使用 Nano Measurer 软件(复旦大学化学系，上海，中国)分析纤维的直径.

1.5.2 FT-IR分析

采用KBr压片法制备试样，扫描参数为:扫描范围4 000～400 cm-1，仪器分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次.

1.5.3 XRD分析

通过X射线衍射仪对不同处理下豆渣纤维素的晶体结构进行表征，测量范围为10 °～50 °，扫描速度为0.016 °/s，计算样品的结晶度.

1.5.4 流变性能分析

使用流变仪研究在增加的剪切速率下的流变行为，使用具有0.5 mm测试间隙的25 mm不锈钢平行板几何形状.在测试之前，将样品调节至25 ℃，然后在0.1到100 s-1的范围内进行粘度测量，剪切速率在300 s内线性上升.

1.5.5 透光率分析

使用紫外-可见分光光度计测试不同CNF悬浮液的透射率，所有CNF悬浮液的浓度均为0.5%，以去离子水为参考背景扫描，将样品加入石英比色皿中进行透射扫描，扫描速度为300 nm/min，测试波长为500～1 020 nm.

2 结果与讨论

2.1 不同反应条件对TOCN羧基含量和得率的影响

2.1.1 NaClO用量对纤维素得率和羧基含量的影响

在反应温度为30 ℃，反应时间为2 h的条件下，探讨了不同NaClO用量对纤维素羧基含量和得率的影响，其结果如图1所示.由图1可知，随着NaClO用量的增加，纤维素的羧基含量不断增加，且NaClO的用量与纤维素的羧基含量呈线性关系.当NaClO用量从3 mmol/g纤维素增加到7 mmol/g纤维素时，纤维素的羧基含量从0.846 mmol/g纤维素增加到1.723 mmol/g纤维素.其原因是氧化反应过程中NaClO用量的增加，使反应体系中氧化剂的浓度增加，有利于促进氧化反应向前进行，氧化反应程度增加，提高反应效率，使羧基含量不断增加.同时，随着NaClO用量的增加，纤维素的产率下降.分析表明，产率下降的原因之一可能是随着NaClO用量的增加，纤维素在氧化过程中降解；另一个原因可能是非纤维素成分(包括半纤维素、木质素等)在氧化过程中降解.

图1 不同NaClO用量对TOCN得率和羧基含量的影响

2.1.2 反应时间对纤维素得率和羧基含量的影响

在反应温度为30 ℃、NaClO的量为7 mmol/g纤维素的条件下，探究不同反应时间对纤维素羧基含量和得率的影响，其结果如图2所示.从图2可以看出，随着反应时间的增加，纤维素的羧基含量总体呈上升趋势，但是上升幅度有所变化，造成这种现象的原因可能是:在氧化反应过程中，反应液需要一定的时间通过渗透进入纤维素.反应时间过短，会造成反应液渗透不均，导致纤维素氧化程度降低，纤维素的羧基含量缓慢增加；随着反应时间的增加，更多的反应液渗透进入纤维素，与其充分接触，促进了氧化反应，提高了氧化程度，使纤维素的羧基含量大大增加.随着时间的进一步延长，反应体系中氧化剂的浓度不断降低，可用于氧化反应的氧化剂含量不断降低，限制了氧化反应的进一步发生.

从图2还可以看出，反应时间为1～2 h时纤维素得率下降缓慢，从91.4%下降到90.53%，反应时间为3～5 h时，得率下降很大，从86.73%下降到78.28%.出现这种现象的原因可能是:反应时间为1～2 h时，反应主要发生在纤维素的无定形区，随着处理时间的延长，氧化剂会渗入纤维素的结晶区，从而对结晶区造成一定程度的破坏，结晶区的纤维素转变为无定形纤维素，降解溶出，最终导致氧化产物得率显著下降.

图2 不同反应时间对TOCN得率和羧基含量的影响

2.1.3 反应温度对纤维素得率和羧基含量的影响

在反应时间为2 h，NaClO的量为7 mmol/g纤维素的条件下，探索了不同反应温度对纤维素羧基含量和得率的影响，其结果如图3所示.

图3 不同反应温度对TOCN得率和羧基含量的影响

从图3可以看出，随着反应温度的升高，纤维素的羧基含量先升高后降低.这可能是由于:当氧化温度为20 ℃时，由于在该温度下氧化比较温和，当氧化温度升高时，反应体系中的NaClO分子受热剧烈运动，降低了分子间作用力，促进NaClO液体渗透到纤维中，有利于氧化反应，因此羧基含量会增加.当反应温度升至40 ℃～60 ℃时，纤维素的破坏作用增强，使结晶区较多的纤维素被破坏变成无定形纤维素；同时，反应温度的升高也导致更多的无定形纤维素被降解和溶出，从而最终降低了纤维素的整体反应可及性，羧基含量大大降低，纤维素的得率降低.

2.2 TEMPO氧化前后纤维素结构分析

2.2.1 SEM分析

图4(a)为DES预处理结合超声波处理15 min得到的DCF；图4(b)为DCF的直径分布图，从图4(b)计算得到DCF的平均直径大约为51.9 nm；图4(c)是DES预处理和TEMPO氧化后结合超声波处理15 min得到的TOCN；图4(d)是TOCN的直径分布，TOCN的平均直径大约为13.1 nm.从图中可以看出，TOCN直径分布均匀，纤维直径较小，纤维间相互交织.缠结度较高，DCF未氧化时颜色为褐色，但TEMPO氧化得到的TOCN颜色是透明的.这可能是因为纤维素中的发色物质在TEMPO氧化过程中降解了.

(a)DCF的SEM图

(b)DCF的直径分布图

(c)TOCN的SEM图

(d)TOCN的直径分布图图4 TOCN和DCF的SEM图与其直径分布图

2.2.2 FT-IR分析

图5为不同处理方法得到的豆渣纤维素的红外光谱图.由图5可知，3 300 cm-1为羟基伸缩振动峰[16]，2 920 cm-1为C-H伸缩振动峰[17]，1 645 cm-1处的吸收峰为半纤维素中的乙酰基和羟苯基丙烯酸中的C=O键振动引起的吸收峰，这里的吸收峰在TEMPO氧化后由强而窄变为宽而弱.这可能是因为TEMPO氧化会部分降解半纤维素，1 540 cm-1处的峰是蛋白酰胺II组的振动峰[18]，TEMPO氧化后这里的峰基本消失，这可能是TEMPO氧化会降解蛋白质.以1 431 cm-1为代表的-CH2和-OCH面内弯曲振动，以及在1 369 cm-1处的-CH弯曲振动吸收峰存在，而在3 300 cm-1处较宽的吸收峰表明纤维素仍有更多TEMPO氧化后的羟基，即TEMPO-NaBr-NaClO催化氧化体系只选择性氧化纤维素分子C6位的羟基，不影响C2和C3位的羟基[19].

图5 TOCN和DCF的红外光谱图

2.2.3 XRD分析

不同处理对不同处理下豆渣纤维素晶体结构和结晶度的影响如图6所示.由图6可知，峰值出现在2θ=15.1 °和22.8 °.这两个峰位置对应于纤维素晶体的(001)和(002)晶面，表明纤维素晶体区域的特征结构.与DCF相比，TOCN的结晶度指数从51.46%下降到44.33%.推测出现这种现象的原因是TEMPO氧化过程不仅发生在纤维素的无定形区，也发生在结晶区，而且结晶区的反应速度较快，使更多的结晶区部分转化为非晶区，导致结晶度下降.也有可能用酸性DES预处理的豆渣纤维素会部分降解纤维素的结晶区域，使随后的氧化剂渗透更有效，导致对结晶区域的大量破坏.

图6 TOCN和DCF的XRD图

2.2.4 流变性能分析

不同的纤维素悬浮液都表现出非牛顿流体剪切稀化的特性.由图7可知，DCF粘度的斜率随剪切速率变化而保持不变，而TOCN的曲线比DCF的斜率变化更大，这可能是由于TOCN纤维长径比越大，纤维缠结越紧密，因此在高剪切速率下解纤程度更高，因此粘度变化越大.也可能是TOCN的聚阴离子性质使纳米纤维素网络的整体分散更好[20].

图7 TOCN和DCF的粘度曲线

2.2.5 透光率分析

紫外分光光度计用于检测不同纤维素悬浮液的透光率.图8所示结果表明，经TEMPO氧化处理后，TOCN透光率增加，在500～1 020 nm波长处透光率从10%增加到超过50%.进一步说明TEMPO氧化处理后形成纳米级纤维素，在水中表现出良好的分散性能.这也证明了TEMPO氧化可以降解纤维素中的有色物质[21,22].

图8 TOCN和DCF的紫外光谱图

3 结论

综上所述，本研究发现了一种利用DES预处理结合TEMPO氧化制备纳米纤维素的方法.通过研究得到以下结论:

(1)在反应温度为30 ℃、NaClO量为7 mmol/g纤维素、反应时间为2 h的条件下，纤维素羧基含量最高，达1.723 mmol/g纤维素，得率为77.53%.

(2)TEMPO氧化后得到均匀分布的纳米纤维素，平均直径为13.1 nm.该方法制备豆渣纳米纤维素可行且简便，为农业废弃物豆渣制备CNF提供了新思路和新方法.