催化和机械辅助柠檬酸水解法高得率制备纤维素纳米晶体

岑 钰 汪力生 项舟洋 宋 涛 ，*

（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353）

利用有机酸水解制备纳米纤维素在近几年受到国内外科研人员的极大关注，尤其利用多元羧酸法制备具有不同功能基团的纳米纤维素[1-3]。该制备体系利用有机酸可回收再利用的特性，能够有效解决传统制备工艺所存在的环境污染严重、后期功能化受限等问题，并且降低了所用药品试剂和处理废液所产生的消耗，从而降低纳米纤维素的制备成本及整体碳排量。更为重要的是，有机酸在制备纳米纤维素的同时，能有效地对纤维素表面基团进行改性，使产物具有多反应活性，从而增加纳米纤维素后续功能化途径，且有利于其在溶剂中更好地分散[4]。

柠檬酸是一种产量巨大的天然有机酸，它可以从各类柑橘属的蔬果中提取，也可以通过生物发酵法合成，在纳米纤维素清洁制备领域具有较大的应用潜力[5]。然而，由于柠檬酸的弱酸性（pKa=3.13），通过纯酸水解法获得的纤维素纳米晶体（CNC）得率很低，仅约10%[6]。如何提高柠檬酸水解法的生产效率成为了亟待解决的问题。

氯化铁是一种对环境几乎无害的固体无机盐，在天然纤维素的水解反应中表现出了良好的催化活性[7]。Cheng等人[8]研究发现，氯化铁能显著提高盐酸水解法制备CNC的效率；Kamireddy等人[9]也发现，氯化铁可以加速半纤维素降解为单糖，提高玉米秸秆预处理的效率；Ren等人[10]则证明，在酸性条件下三价铁离子可以加速纤维无定形区的水解，降低反应的活化能。反应结束后，氯化铁也可以通过结晶或沉淀法进行回收，其对仪器腐蚀的风险也较低[11]。此外，本课题组在先前的工作中发现，有机酸水解结合超声波和高压均质获得的纤维素纳米纤丝（CNF）悬浮液中存在许多棒状CNC颗粒[1,6]。这些CNC颗粒被互相缠绕的CNF所包裹，未能通过超声和离心分离出来CNC。如果采用适当的技术或工艺将这些CNC从CNF中有效分离出来，CNC的总得率将会大大提高。

高压微射流是乳液和脂质体生产工业中应用十分广泛的技术，在食品、医药、美妆护肤等领域发展较为成熟[12]。与球磨法和超声波粉碎法相比，高压微射流具有作用时间短、操作简便等优势[13]，能够通过强烈的剪切、空穴和撞击作用，有效促进原始纤维纳米化的进程。然而，微流化室腔的孔径很小，在纳米纤维素制备过程中容易发生堵塞，甚至造成机器停机等问题，因此还需要结合一定的预处理手段进行工艺优化[14]。

基于此，本研究以氯化铁为催化剂，并结合短时微射流的辅助，利用柠檬酸水解作用从漂白蔗渣浆中高效分离CNC，以期解决柠檬酸水解法制备CNC得率低的问题，并对氯化铁添加量对CNC的得率、粒径、羧基含量、结晶度、热稳定性等性质的影响机制进行综合分析。此外，在CNC制备的同时可以收获第二产物CNF，所用化学试剂可通过简单的结晶法回收。

1 实 验

1.1 实验材料及设备

1.1.1 材料与试剂

漂白蔗渣浆（BSBP）由广西博冠环保公司提供，含72%葡萄糖和25%非纤维化合物（半纤维素、果胶等）[6]。柠檬酸（AR）、六水氯化铁（FeCl3·6H2O，AR，质量分数99%）、盐酸（AR，质量分数36%～38%）、NaOH（AR，质量分数95%），购自上海麦克林公司。

1.1.2 仪器设备

磁力搅拌器（MR Hei-Tec，德国Heidolph公司）；台式离心机（Allegra X-30，美国Beckman公司）；旋转蒸发仪（Hei-VAP Value Digital，德国Heidolph公司）；离子色谱仪（ICS3000，美国ThermoFisher Scientific公司）；超声波清洗仪（JY99-2DN，宁波新芝生物科技股份有限公司）；原子力显微镜（AMF，Multimode 8，德国Bruker公司）；紫外光谱仪（UV6100，上海元析仪器有限公司）；傅里叶变换红外光谱仪（FF-IR，VERTEX 70，德国Bruker公司）；X射线衍射仪（XRD，X'pert Powder，荷兰PANalytical公司）；激光粒度分析仪（SZ-100Z，法国Horiba公司）；热重分析仪（TG209F1，德国Netzsch公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 CNC和CNF的制备

CNC和CNF的制备方法如下：配置质量分数为80%的柠檬酸溶液，加入不同比例的FeCl3·6H2O（与柠檬酸的比例为0.01～0.09 mmol/g柠檬酸），油浴加热至100 ℃后，加入预先粉碎的BSBP，机械搅拌4 h进行水解反应；水解结束后，加入去离子水终止反应，用G4漏斗对所得的纤维悬浮液进行真空抽滤，得到滤液和滤渣；留取5 mL滤液用于糖分分析，其余滤液用于回收柠檬酸和氯化铁；将滤渣装入透析袋中，用去离子水透析2天；将透析后的保留液稀释至0.5%，通过高压微射流循环处理3次，工作压力为110 MPa；微流化后的浆料在9000 r/min的转速下离心15 min，分离上清液得到浅蓝色的CNC，收集浊液得到乳白色CNF。以FeCl3·6H2O的添加量对产物进行命名，如Fe-Cl3·6H2O添加量为0.01 mmol/g柠檬酸制备的产物命名为CNC/CNF-0.01。

1.2.2 得率

通过烘箱干燥法测定CNC/CNF悬浮液的固含量，并通过式（1）计算总得率。

其中，y为CNC/CNF的得率，%；c为CNC/CNF悬浮液的浓度，g/mL；v为CNC/CNF悬浮液的总体积，mL；m为BSBP的绝干质量，g。

1.2.3 水解液组分分析

水解液的糖含量按照国家标准GB/T 35818—2018测定。测试前，将取水解液稀释至0.1～10 mg/kg，通过孔径为0.22 μm的过滤膜滤除水解液中的杂质，使用离子色谱仪进行定量测试，并基于BSBP的绝干质量计算水解液中的葡萄糖/木糖得率。

1.2.4 形貌表征

取一定量的CNC/CNF悬浮液，稀释到合适浓度后，用超声仪在500 W的功率下震荡3 min使其均匀分散。用滴管吸取少量分散液滴在干净的云母片表面，自然风干，然后使用原子力显微镜对样品形貌进行表征，从所获得的图像中正态分布选取50根纤维来确定CNC和CNF的直径和长度。

1.2.5 双折射现象观察

双折射现象的观察在一个两面避光的装置中进行，该装置前后配备有2块交叉偏振滤光片和1盏灯。先将CNC/CNF悬浮液装入透明玻璃瓶内，在黑暗环境中置于2片偏振片间，然后对准偏振片后的点光源轻微摇晃，即可观察到CNC/CNF悬浮液的颜色变化。

1.2.6 透射率测试

将CNC悬浮液稀释到0.2%，通过紫外光谱仪测定其在可见光范围300～800 nm波长下的透射率。

1.2.7 Zeta电位测试

将CNC和CNF稀释至质量分数0.2%，使用超声波清洗仪震荡15 min进行预处理，通过激光粒度分析仪测试Zeta电位。

1.2.8 FT-IR分析

取大约5 mg冻干后的CNC和CNF与溴化钾混合压片，然后采用FT-IR扫描样品在500～4000 cm-1区段内的信号变化。

1.2.9 羧基含量测定

通过电导滴定法测定CNC/CNF表面羧基含量。测试前将CNC/CNF悬浮液质量分数调节至0.2%～0.9%，然后取50 mL样品，加入5 mL氯化钠溶液（0.01 mol/L）和1 mL盐酸溶液（0.15 mol/L），并进行10 min的超声分散。在滴定过程中，每隔30 s滴加50 μL NaOH溶液（0.1 mol/L），并记录电导率的变化。电导率曲线走势刚开始会显著下降，然后有一段缓慢上升的平衡段，最后表现出显著上升，平缓处即为羧基与氢氧根的反应阶段，通过式（2）计算羧基含量。

式中，B为羧基含量，mmol/g；C为NaOH的浓度，mol/L；V2和V1分别为滴定终点和滴定起点消耗标准NaOH的体积，mL；m为CNC/CNF的固含量，g。

1.2.10 XRD分析

将冷冻干燥好的CNC/CNF按压成薄片，平放在石英衬底上进行XRD扫描，扫描范围为2θ=5°～60°。然后通过Segal法[15]确定样品的结晶度CrI，按式（3）计算。

式中，I200是纤维素(200)晶面的最大峰强度，对应2θ=22.5°附近；Iam是(200)和(110)两个晶面之间的最小峰值，对应的2θ≈18.5°。

1.2.11 热稳定性分析

称量10 mg冻干后的CNC/CNF放入热重分析仪，在动态氮气的保护下，从35 ℃开始以10 ℃/min的加热速率升温至600 ℃，通过切线法确定样品的起始及最大热分解温度。

2 结果与讨论

2.1 CNC/CNF的得率及水解液组分分析

表1列出了不同水解条件下CNC和CNF的得率、药品回收率、水解液中的组分。从表1可以看出，无催化剂组CNC-0的得率为43.2%，远高于Ji等人[6]通过纯柠檬酸水解BSBP的报道（10.6%），这说明了机械辅助的有效性，仅需3次微射流循环就能有效提高CNC的得率。而且由于水解预处理的作用，微射流处理过程中也没有发生纤维堵塞和停机等问题，这大大提高了制备CNC效率。

表1 CNC和CNF的得率、药品回收率、水解液中的糖分含量Table 1 Yield of CNC/CNF, drug recovery rate, and sugar content in hydrolysate %

在柠檬酸体系中加入了氯化铁，以期进一步提高CNC得率。结果表明，随着氯化铁的加入，CNC的得率有明显提高，当氯化铁的添加量为0.05 mmol/g柠檬酸时，CNC的得率达到最高，为60.2%，相比无催化剂组提高了40%，是没有微射流辅助纯柠檬酸水解法的6倍。这一结果可以从氯化铁和纤维素的化学结构上解释；一方面，氯化铁在水中的电离呈酸性，加入氯化铁增加了水解体系的氢离子浓度，加速了纤维素糖苷键的断裂；其次，Fe3+的外围轨道为缺电子状态，对含氧化合物具有强吸引力，可以与糖苷氧络合形成配合物，削弱糖苷键强度；另外，Cl-具有强氢键接受能力，能够吸附羟基中的氢，破坏纤维素原本的氢键网络，进而降低了反应的活化能[11,16]。而微射流可以将已经水解但还微弱连接的糖苷键进一步破坏，从而有效促进了原始纤维纳米化的进程，提高了CNC的得率，如图1所示。

图1 柠檬酸水解结合氯化铁催化和微射流制备CNC的示意图Fig.1 Preparation diagram of CNC by citric acid hydrolysis combined with ferric chloride and microfluidization

当进一步增加氯化铁用量时，CNC的得率发生了明显下降，这可能是因为过量的氯化铁导致了部分纤维的过度降解，这与糖分分析结果是一致的。随着氯化铁的增多，水解液中的葡萄糖含量也在不断增加，而CNC和CNF总得率持续下降。此外，木糖含量远高于葡萄糖含量，约为10～20倍，这是因为富含支链和无定形区的半纤维素在酸性高温条件下很不稳定，更易被降解。水解结束后，通过简单的旋转蒸发，可以将使用过的柠檬酸和氯化铁结晶回收，各条件下药品的回收率均高于89.6%。

2.2 CNC/CNF的宏观形貌

图2为CNC和CNF悬浮液的照片。如图2所示，制备的CNC悬浮液呈浅蓝色透明状。从离心沉淀中收获的CNF呈乳白浑浊状，其悬浮液不能透光。

图2 CNC和CNF悬浮液的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of CNC and CNF suspensions

由于CNC具有手性向列液晶结构，可以通过双折射现象快速判断悬浮液中纳米晶体的存在。图3显示了CNC悬浮液的双折射现象与透射率。如图3（a）所示，每组样品在震荡下都展现出了明显的流动双折射现象，初步证实成功制备了CNC。为了进一步探究样品的透明度，将所有样品稀释到同一质量分数（0.2%），通过紫外光谱仪表征了CNC悬浮液的透射率（见图3（b））。所有CNC悬浮液都表现出了高透射率，这是因为纳米晶须的粒径远小于可见光波长，对光的散射程度较小，所以透明度较高[17]。无催化剂组的透射率略低，可能的原因是该条件下的CNC尺寸略大且分散性较低。由图3（c）可知，所有样品在600 nm处的透过率均大于87.8%，这已经优于先前报道的用甲酸低共熔溶剂（DES）水解法制备的CNC（得率＜70%，质量分数0.01%）[18]。CNC良好的光学性能使其在透明柔性电子器件、包装材料等领域具有一定的应用优势[17]。

2.3 CNC/CNF的微观形貌分析

通过AFM观察了纤维的微观形貌，如图4所示。从图4（a）可以看出，CNC呈现出典型的短棒状结构，CNF则表现出密集缠绕的纤丝状（图4（b））。由于柠檬酸的弱酸性，在无催化剂的情况下，CNC-0也表现出了部分的聚集，而随着氯化铁添加量的增加，CNC之间团聚的情况得到了明显改善。这可能是因为氯化铁柠檬酸体系与纤维素之间的相互作用，削弱了纤维素分子间的作用力，使纤维致密化程度降低。

图4 CNC和CNF的AFM图Fig.4 AFM images of CNC and CNF

表2显示了不同条件下制备的CNC/CNF的尺寸。根据表2的统计数据可以看出，CNC的平均长度为118.9～506.9 nm，CNF的长度在368.6～675.4 nm之间。随着氯化铁添加量的增多，纤维的尺寸分布更加集中，平均长度明显变短。这说明了氯化铁能有效破坏纤维素糖苷键的连接，进一步打破了纤维素大分子的长链结构。然而，CNC和CNF的直径变化不大，均在5～10 nm之间，这可能是因为在实际水解过程中，氯化铁对纤维素分子间氢键网络解离的作用小于对分子链中糖苷键的破坏作用。相对应的，随着氯化铁添加量的增多，CNC和CNF的长径比也在进一步降低。

表2 CNC/CNF的尺寸Table 2 Dimensions of CNC/CNF

2.4 CNC/CNF的XRD分析

图5展示了CNC/CNF的XRD曲线及对应的结晶度。从图5可以看出，所有样品均呈现出与天然I型纤维素相似的XRD曲线，其结晶峰位于2θ=15.8°、22.5°、34.5°附近，分别对应 （110）、（200） 和（004）晶面[19]，这说明本研究并未改变原始纤维的晶格结构。随着氯化铁添加量的增多，CNC的结晶度呈现先增大后减小的趋势，CNC-0.05的结晶度达到最大（74.7%），与原料BSBP相比提高了5.9个百分点，这说明柠檬酸和氯化铁的协同作用使BSBP纤维的无定形区被成功打破，从而释放出了具有更多结晶区域的纳米纤维。但当氯化铁添加量达到0.07 mmol/g柠檬酸时，结晶度上升的趋势发生了逆转，这是由于过多的氯化铁在严苛的条件下，使纤维素相对稳定的结晶区也受到了破坏所致[16]。CNF由于含有更多的非结晶区，其结晶度普遍小于相同水解条件下的CNC，这与预期相同。研究表明，结晶度对纳米纤维素复合材料的机械性能有正向影响[20]，基于此，本研究中氯化铁最优的添加量为0.05 mmol/g柠檬酸。

图5 CNC/CNF的XRD谱图和结晶度Fig.5 XRD patterns and crystallinity of CNC/CNF

2.5 CNC/CNF的表面化学性质分析

图6为CNC/CNF和原料BSBP的红外光谱。如图6所示，所有样品均保留了天然I型纤维素的特征峰，包括3420 cm-1处的―OH拉伸振动峰，2897 cm-1处的―CH伸缩振动峰，1435 cm-1处的―CH弯曲振动峰及1115 cm-1处的C―O―C伸缩振动峰。与原料不同的是，CNC/CNF在1735 cm-1附近产生了一个新的信号峰，该峰表示C= = O拉伸信号，这说明柠檬酸与纤维素发生了酯化反应，在CNC/CNF表面引入了羧基[11]。

图6 CNC和CNF的FT-IR谱图Fig.6 FT-IR spectra of CNC and CNF

CNC/CNF的表面羧基含量变化如图7所示。从图7可以看出，同一水解条件下CNC的羧基含量高于CNF，这可能是因为CNC的尺寸更小、分散性更好，在水解体系中获得了更多与柠檬酸发生酯化反应的机会。随着氯化铁的增多，产物表面的羧基含量呈现先上升后减少的趋势，氯化铁添加量为0.07 mmol/g柠檬酸时，CNC的羧基含量达到最高（1.01 mmol/gCNC），约为无催化剂组（0.55 mmol/g CNC）的2倍。继续增加氯化铁添加量，则会导致羧基含量的下降，这是因为过多的氯化铁导致了原纤维的过分降解，使部分酯化的纳米纤维也被降解成了单糖，Saini等人[21]通过硫酸催化有机酸水解的研究中也发现了类似的现象。综合来看，在氯化铁的辅助下，可以获得羧基含量为0.68～1.01 mmol/g的CNC，以及羧基含量为0.46～0.79 mmol/g的CNF，这已经远高于在相似条件下通过草酸、对苯甲磺酸、马来酸水解制备的纳米纤维素的羧基含量（＜0.4 mmol/g）[3]。相关研究表明，高羧基含量的CNC/CNF具有多活性位点和优异的阳离子絮凝能力，在重金属吸附及污水净化领域具有应用潜力[22]。同时，由于阴离子羧基的存在，纤维间具有较强的静电排斥力和良好的分散稳定性，有效减低了后续机械处理的能量消耗，且明显减少了微射流处理过程中发生堵塞和停机的几率，有利于纳米纤维素的节能化生产。

2.6 CNC/CNF悬浮液的分散稳定性分析

CNC/CNF悬浮液的分散稳定性可以通过Zeta电位来评估，Zeta电位绝对值越高则说明纳米粒子的表面电荷与静电排斥力越大[23]。通常，胶体悬浮液的绝对Zeta电位大于35 mV时可形成稳定的分散体系[24]。如表3所示，本研究所制备的CNC和CNF都具有良好的分散稳定性。CNC悬浮液的绝对Zeta电位为57.6～97.0 mV，CNF的绝对Zeta电位则略低，在46.6～61.9 mV之间。这主要有两方面的原因，一方面可能是因为CNF的表面羧基含量相对较低，纳米纤丝之间形成的电荷排斥力也就较弱；另外从纤维微观形貌上看，CNF的尺寸较大，部分纤丝相互缠绕形成了纤维簇，在重力作用下更容易发生沉降。随着氯化铁添加量的增加，CNC/CNF悬浮液的分散稳定性也在不断提高，这也与纳米纤维素表面羧基含量的增加及粒径的减小有关。虽然CNC/CNF-0.09的羧基含量略低，但该条件下获得的纳米纤维是所有产品中尺寸最小且最均匀的，对应的纳米粒子表面积增大，分子间作用力增强，不易在重力作用下沉降，因此其悬浮液的绝对Zeta电位还在持续增大。

表3 CNC/CNF悬浮液（质量分数0.20%）的Zeta电位Table 3 Zeta potential of CNC/CNF suspensions (0.20 wt%)

2.7 CNC/CNF的热稳定性分析

图8为CNC和CNF的热分解曲线（TG）和质量损失速率曲线（DTG），表4展示了不同条件下CNC和CNF的起始热解温度（T0）和最大热分解温度（Tmax）。从图8可以看出，所有样品的TG和DTG曲线都显示了相似的质量变化规律。从表4中可以看出，CNC 的T0为 298～302 ℃，CNF 的T0在 300～310 ℃之间，普遍低于原料BSBP的321.0 ℃。这是因为水解后所得的纳米纤维素尺寸很小且分散性更强，在热解聚过程中会暴露出更大的受热面积，这会加速热量分布，从而降低热稳定性[25]。

表4 CNC/CNF的起始热解温度（T0）和最大热分解温度（Tmax）Table 4 Initial pyrolysis temperature (T0) and maximam thermal decomposition temperature (Tmax) of CNC/CNF

同一水解条件下，CNC/CNF的热稳定性随着氯化铁添加量的增多呈下降趋势，此现象除了与产品粒径有关，还与纤维表面的羧基含量有关。羧基含量的增多会破坏纤维素原本的氢键网络，形成不耐热的葡萄糖醛酸，从而影响了产物的热稳定性。在Isogai等人[26]的研究中也有类似的发现。但影响纳米纤维素的热稳定性变化的因素还有很多，例如纤维的来源、自然结构、化学组成和处理方法等[27]。目前，纤维素热稳定性变化的确切原因仍不清楚，其机理还有待进一步的研究。

在本研究中，所有CNC/CNF的T0仍高于298.8 ℃，优于通过草酸水解法（204 ℃）及酒石酸水解法（222 ℃）从BSBP中制备的纳米纤维素[1]。这说明该工艺下制备的CNC/CNF在耐热性方面有较大优势，可应用在耐高温纳米复合材料上。

3 结 论

本研究以柠檬酸为水解试剂，氯化铁为催化剂，结合短时微射流辅助，从漂白蔗渣浆中高得率地分离出了具有较高羧基含量的CNC和CNF，且水解结束后柠檬酸和氯化铁还可回收再利用。

3.1 氯化铁和微射流的辅助使CNC的得率提高至60.2%，相比不加入催化剂组提高了40%，是不使用氯化铁和微射流辅助所得CNC得率的6倍。

3.2 氯化铁的添加使纤维尺寸更短且分布更均匀。CNC的长度在600 nm以内，CNF的长度小于1.2 μm，直径均在5～10 nm之间。

3.3 氯化铁的添加可提高CNC结晶度和表面羧基含量，CNC的结晶度提高到了74.7%，羧基含量高达1.01 mmol/g CNC。

3.4 氯化铁的添加提高了CNC和CNF在水中的分散稳定性，CNC/CNF悬浮液的绝对Zeta电位大于46.6 mV。

3.5 氯化铁添加量过高会导致纤维的过度降解和产品性能的下降，因此最优条件为：氯化铁添加量0.05 mmol/g柠檬酸，柠檬酸质量分数80%，水解条件为100 ℃、4 h。