納米纖維素檸檬酸酯的“一鍋法”綠色制備

　　摘要 針對納米纖維素制備改性過程中操作復雜、得率低、使用有毒試劑對環境不友好等問題，以竹纖維為原料，在機械力化學作用下，以磷鎢酸-檸檬酸催化水解“一鍋法”制備了納米纖維素檸檬酸酯(E-CNCs)，該方法工藝簡單、綠色環保、且 E-CNCs 得率高。機械力化學作用能顯著提高纖維素的反應活性，加快纖維素水解速度，提高了 E-CNCs 的結晶度和酯化反應接枝率。球磨 1.5 h、磷鎢酸(PTA)濃度 6%、反應 6 h、超聲 1.5 h 的優化條件下，E-CNCs 得率為 75.6%，取代度為 0.25，結晶度為 80%，長度為 180~210 nm，直徑為 8~10 nm，且熱穩定性良好。

　　吳嘉茵; 黃彪; 盧麒麟， 絲綢 發表時間：2021-09-29

　　關鍵詞 納米纖維素;機械力化學;檸檬酸;磷鎢酸;酯化

　　納米纖維素(Cellulose nanocrystals，CNCs)作為天然可再生納米材料，具有比表面積大、光學性能獨特、重量輕、剛性好、強度高等優點，同時兼具纖維素的生物可降解性、可再生性和生物相容性[1-2]。目前，已研究出了一系列以納米纖維素為原料的納米仿生材料、納米復合材料、水凝膠、氣凝膠等[3-4]，并廣泛應用于醫藥、食品、智能材料等領域。對納米纖維素進行有效的功能化修飾，如酯化、乙酰化、烷基化、酰胺化、聚合物接枝等[5]，能夠改善其表面多羥基結構導致的自團聚現象，從而獲得具有特殊功能性的納米材料。其中對納米纖維素進行酯化改性是一種非常重要的改性方法。但納米纖維素酯化改性過程中存在反應活性低，成本較高，副反應多，容易對環境造成污染等問題，如何提高化學反應活性，降低活化能，綠色、高效制備功能化納米纖維素，賦予納米纖維素新的功能，從而拓寬納米纖維素的應用范圍，獲得先進的新型納米纖維素功能材料，是目前纖維素研究需要解決的難題。

　　機械力化學法(Mechanochemical process)是通過機械能誘發化學反應的產生以及誘導物質的結構或性質的改變，從而制備新材料或改性材料的方法。相較于傳統化學法和生物法，機械力化學法有著高效、增加體系能量和反應活性，降低生產成本的特點[6-7]，從而逐漸應用于酯化納米纖維素 (Esterified cellulose nanocrystals，E-CNCs)的制備。高能球磨是一種常用的機械化學處理方法，不僅使物料混合充分且在球與顆粒碰撞瞬間產生的局部高溫高壓可以被用于誘發低溫化學反應同時促進了能量累積。例如 Kang 等[8]以玉米芯纖維素為原料，與己酰氯通過球磨的機械力化學法一步實現酯化和納米化，獲得高取代度的酯化纖維素納米纖維;盡管應用機械力化學法制備 E-CNCs 已取得了一定的研究進展，但是仍普遍存在酯化取代度低、需使用有毒試劑的缺點。因此有不少學者致力于納米纖維素綠色酯化改性的研究，例如通過天然有機酸[9]、深共晶溶劑(DESs)[10]等綠色試劑進行酯化改性，并利用改性的納米纖維素制備出性能增強的納米復合材料。隨著經濟的發展和人們對生產安全及環保問題的日益重視，納米纖維素酯化反應的高取代度化、綠色化和無毒化成為當前研究的趨勢。本研究以多功能的新型綠色試劑磷鎢酸(Phosphotungstic acid，PTA)作為水解劑和催化劑，通過機械力化學法使納米纖維素的分離制備與酯化反應同步進行，“一鍋法”獲得了檸檬酸酯化納米纖維素，而且磷鎢酸與檸檬酸易于回收，減少了對環境的影響，反應過程如圖 1 所示。探討了不同反應條件對 E-CNCs 得率和取代度的影響，以及不同取代度 E-CNCs 結構和性能的差異。

　　1 材料與方法

　　1.1 材料與儀器

　　漂白竹纖維(α-纖維素含量≥94%)，購自福建省南紙股份有限公司;磷鎢酸、檸檬酸、乙醚，均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

　　Nicolet 380 紅外光譜儀，美國 Thermo electron 公司;SU8010 型場發射電鏡，日本 HITACHI 公司;X'Pert Pro MPD X 射線粉末衍射儀，荷蘭飛利浦公司;STA449F3 型熱重分析儀，德國耐馳公司;Hitachi-H7650 場發射投射電鏡，日本 JEOL 公司;AVANCEⅢ 型核磁共振波譜儀，瑞士 Breker 公司。

　　1.2 E-CNCs 的制備

　　1.2.1 制備方法

　　將漂白竹纖維經過高速粉碎機粉碎，烘干備用，稱取 2 g 竹纖維置于瑪瑙球磨罐中，加入 16 g 的檸檬酸和一定濃度的 PTA 溶液 40 mL，在 600 r/min 的轉速下球磨 0.5~2.5 h。球磨結束后將樣品轉移到燒瓶中恒溫反應一定時間，PTA 的濃度 3~8 wt%，反應溫度取 80~160 ℃，反應時間取 4~8 h。反應結束后，將反應物超聲分散 0~2 h，然后反復通過高速離心(9000 r/min，10 min)去除酸液，直至呈中性，酸液用乙醚處理回收 PTA。降低離心速率(5000 r/min，5 min)收集上層乳白色懸浮液即酯化納米纖維素 E-CNCs 懸浮液，冷凍干燥后得到 E-CNCs 粉末，制備流程如圖 2 所示。

　　1.2.2 E-CNCs 得率的計算

　　首先將 E-CNCs 均勻分散，測出總體積，用移液管吸取 30 mL 于稱量瓶中，在 105 ℃烘箱中烘干至恒重。按照公式(1)計算 E-CNCs 的得率 Y：得率?(%) = (?????)? ???? (1) 式中：干燥后樣品和稱量瓶的總質量為??，g;稱量瓶的質為??，g;漂白竹漿纖維素原料的質量為??，g;E-CNCs 懸浮液的總體積為?，mL。

　　1.2.3 E-CNCs 取代度的測試

　　E-CNCs 改性程度用取代度(DS)來表示，用酸堿滴定的方法來測定[11]。首先 E-CNCs 和去離子水配置成 3 mg/mL 的懸浮液，然后超聲波分散 30 min。在懸浮液中滴加過量的 NaOH 溶液(0.1 mol/L)和 1 滴酚酞試劑，采用 HCl 溶液(0.1 mol/L)進行滴定，當懸浮液的顏色由紫紅色變為無色時，且 30 s 內不變色，即為滴定終點。其 DS 可由式(2)和(3)來計算： ?? = ???? ? (2) ?162.0? = ? (1−0.174?) (3) 式中的 B 為 NaOH 的滴加量，mL;E 為消耗 HCl 的體積，mL;C 為 NaOH 的濃度，mol/L;F 為 HCl 的濃度，mol/L;G 為 E-CNCs 的質量，g;174 為 E-CNCs 增加的摩爾質量，g/mol;162 為纖維素脫水葡萄糖單元的摩爾質量，g/mol。

　　1.3 分析與表征

　　1.3.1 形貌分析

　　將濃度為 0.05 wt%的 E-CNCs 懸浮液超聲分散 20 min，吸取 1 滴到銅網上，在室溫下自然干燥，然后去除銅網周圍的余液，通過 PTA 溶液(2 wt%)進行負染，自然干燥，然后采用場發射透射電子顯微鏡(FETEM)于 100 kV 的加速電壓下對 E-CNCs 的表面形貌和尺寸進行分析表征。竹纖維的形貌則采用場發射掃描電鏡(FESEM)進行觀察，通過雙面粘合劑碳帶將樣品固定在短鋁棒上，樣品表面噴金處理避免充電效應，在 1 kV 下使用鏡頭內二次電子檢測器觀察。

　　1.3.2 晶體結構分析

　　將冷凍干燥的 E-CNCs 的粉末 0.5 g 放入試樣架凹槽中，表面刮平與框架平面一致。通過 X 射線粉末衍射儀對 E-CNCs 的晶體結構進行表征。采用 Cu Ka 射線(λ=0.15406 nm)，Ni 片濾波，以 5(°)/min 的掃描頻率，5°~60°的范圍內進行掃描，獲取 X 射線衍射圖譜。按照公式(4)來計算結晶度 (CI)。 ???−200? = (%)?? 200? ??100% (4) 式中????代表結晶區的衍射峰強度，2θ=22.5°;???代表無定形區的衍射峰強度，2θ=18°。

　　1.3.3 紅外光譜分析

　　將不同取代度冷凍干燥后的 E-CNCs 粉末與溴化鉀(KBr)以 1:100 的比例混合均勻壓成薄片，通過傅里葉變換紅外光譜儀以 32 次/秒的掃描頻率，在 400~4000 cm-1的范圍內掃描，對 E-CNCs 的表面官能團和化學結構進行分析表征，獲得 FTIR 圖譜。

　　1.3.4 固體核磁共振波譜分析

　　將經過冷凍干燥后的 E-CNCs 粉末放在 ZrO 轉子上，通過固體核磁共振波譜儀進行表面化學分析，得到核磁共振碳譜( 13C-NMR)。其魔角旋轉速度為 5 kHz，質子共振頻率為 125 MHz。

　　1.3.5 熱性能分析

　　將不同取代度冷凍干燥后的 E-CNCs 粉末取 5 mg，放置到氧化鋁坩堝中，通過熱分析儀對其進行熱穩定性分析：N2作為保護氣，以 5 ℃/min 的升溫速率，由 30 ℃逐漸升溫至 600 ℃，獲得 E-CNCs 的熱重分析圖譜。

　　2 結果與討論

　　2.1 反應條件對 E-CNCs 的得率和取代度的影響

　　2.1.1 球磨時間

　　當磷鎢酸濃度為 6%，反應時間為 6 h，超聲時間為 1.5 h 時，考察球磨時間對 E-CNCs 得率和取代度的影響，結果如圖 3。球磨時間對 E-CNCs 的得率和取代度影響較大。隨著球磨時間的增加，ECNCs 得率和取代度增加，這是因為在高速球磨過程中，瑪瑙球與纖維素粉末碰撞，纖維素粉末不斷細化，比表面積增加，表面活性增加，纖維素分子鏈鍵斷裂及表面原子的官能團極性改變[12]，有利于纖維素水解以及酯化反應的正向進行。當球磨時間到達 1.5 h 時，E-CNCs 的得率和取代度達到最大。進一步延長球磨時間，得率有所下降，主要是由于在高速球磨過程中，產生的沖擊力、摩擦力、壓力等作用力對納米纖維素的結晶區產生影響[13]，纖維素水解過度，副反應增多，導致 E-CNCs 得率和取代度下降。

　　2.1.2 磷鎢酸濃度

　　當反應時間為 6 h，超聲時間為 1.5 h，球磨時間為 1.5 h 時，考察磷鎢酸濃度對 E-CNCs 的得率和取代度的影響，結果如圖 4。隨著磷鎢酸的濃度增加，E-CNCs 的得率和取代度增加，當磷鎢酸濃度為 6%時，E-CNCs 的得率和取代度達到最大。這是由于磷鎢酸在濃度較低時，提供的質子酸中心較少，向纖維素的無定形區滲透不完全，且磷鎢酸兼具催化酯化的功能[12]，隨著磷鎢酸濃度增加，促進纖維素水解和酯化反應的正向進行。但磷鎢酸濃度過大，結晶區受到破壞，E-CNCs 的得率和取代度反而降低[14-15]。

　　2.1.3 反應時間

　　在磷鎢酸濃度為 6%，超聲時間為 1.5 h，球磨時間為 1.5 h 時，反應時間對 E-CNCs 的得率和取代度的影響的結果如圖 5 所示。E-CNCs 的得率和取代度隨著反應時間增加而顯著增大，當反應時間到達 6 h 時，得率達到 75.6%，取代度達到 0.25。反應時間大于 6 h，E-CNCs 得率和取代度逐漸下降。這是由于磷鎢酸是一種固體酸催化劑而與纖維素的表面接觸有限，使得纖維素水解反應開始時反應速率相對較低;隨著時間的增加，纖維素表面和磷鎢酸充分接觸，水解反應和酯化反應正向進行，纖維素分子鏈糖苷鍵斷裂，氫鍵收到破壞，無定形區分解，體系反應能力升高，E-CNCs 的得率和取代度增加。但反應時間過長，將導致纖維素的結晶區在持續強酸的作用下逐漸分解，所以 6 h 后 ECNCs 得率下降。

　　2.1.4 超聲時間

　　在磷鎢酸濃度為 6%，反應時間為 6 h，球磨時間為 1.5 h 時，超聲時間對 E-CNCs 的得率和取代度的影響的結果如圖 6 所示。在超聲 1.5 h 范圍內，E-CNCs 的得率隨著超聲時間的增加而增加，取代度略微增加。當超聲時間為 1.5 h 時，E-CNCs 的得率為 75.6%，取代度為 0.25。這是由于超聲過程中，水中的微小氣泡在超聲波作用下局部產生拉應力把液體“撕開”成一空洞的空化效應。空化效應能提供大量的能量、瞬間高壓不斷沖擊纖維素表面，使得納米纖維素分子間的氫鍵作用力減弱，有利于化學試劑滲透到纖維素內部，有效解離纖維素的無定形區，導致 E-CNCs 的得率下降。

　　2.2 E-CNCs 的分析與表征

　　2.2.1 形貌分析

　　如圖 7(a)-(b)分別為 E-CNCs 的 TEM 圖和竹纖維原料的 SEM 圖。從圖中可以看出竹纖維呈卷曲扁平棒狀，直徑大約為 10~15 μm，長度在幾百微米左右。而 E-CNCs 呈棒狀結構，納米粒子之間形成交錯網狀結構，能在復合材料中能成為良好的增強填料;少部分酯化納米纖維素晶體之間存在團聚現象，主要是由于納米纖維素分子內和分子間存在較強的氫鍵作用力，使其自組裝成交錯的網狀結構[16]。圖 8(a)-(b)為通過 Nano Measurer 軟件對酯化納米纖維素的尺寸分布統計的結果，機械力化學法制備的 E-CNCs 的直徑大約 8~10 nm，長度為 180~210 nm，長徑比為 18~26。

　　2.2.2 FTIR 分析

　　圖 9 為竹纖維原料和不同取代度的 E-CNCs 的 FTIR 譜圖。圖中將取代度為 0.08、0.18、0.22 和 0.25 的 E-CNCs 分別標記為 E-CNCs-1、E-CNCs-2、E-CNCs-3、E-CNCs-4。從圖中可知，竹纖維素和 E-CNCs 在 3430 cm-1 附近有一較強吸收峰對應為羥基的 O-H 伸縮振動吸收[17]，且強度有所增加，說明機械力化學作用在一定程度上破壞了纖維素分子間氫鍵作用，取代度達到 0.25 時強度降低可能是檸檬酸也參與了分子間氫鍵作用[18-19]。2900 cm-1 左右的吸收峰為纖維素結構的中 C-H 的伸縮與反伸縮振動，在 1635 cm-1 附近的吸收峰對應纖維素分子中的飽和 C-H 彎曲振動吸收[20];在 1160 cm-1 和1110 cm-1表現出纖維素 C-C 骨架伸縮振動和葡萄糖環的伸縮振動;1050 cm-1附近的特征吸收峰為纖維素醇的 C-O 伸縮振動[21]，且與竹纖維相比，E-CNCs 的吸收峰強度增強，說明 E-CNCs 的結晶度增加[19];而在 892 cm-1 處的吸收峰為纖維素分子中β-糖苷鍵的特征峰，纖維素異頭碳(C1)的振動吸收[22]。對比竹纖維、E-CNCs 的紅外光譜，可以看到 E-CNCs 除了保持竹纖維原料的紅外譜圖中的吸收峰以外，在 1730 cm-1附近出現了較強的吸收峰，是由于纖維素酯化(C=O)伸縮振動，而且隨著取代度的提高，吸收峰的強度也不斷增加[23]。說明纖維素與檸檬酸發生酯化反應形成了 C=O 的化學結構，且 E-CNCs 保持了與竹纖維素相似的 FTIR 譜圖，表明 E-CNCs 保持了纖維素的基本骨架結構。

　　2.2.3 固體核磁(13C-NMR)表征

　　由于核磁共振碳譜( 13C-NMR)能確定纖維素分子上各種碳的位置和分子的構型、構象，因此 ECNCs 的酯化改性也可以利用核磁共振碳譜加以表征[24-25]。如圖 10 所示，在化學位移為δ50~105 ppm 之間，E-CNCs 和竹纖維都出現了典型的纖維素特征信號峰，化學位移δ70~78 ppm 的共振信號峰為糖環上不與糖苷鍵連接的 C2，C3 和 C5[26];纖維素 C1，C4 和 C6 的共振特征信號峰分別在化學位移δ103.3 ppm，δ87.1 ppm 和δ63.5 ppm[27-28]。E-CNCs 在化學位移δ43.6 ppm 附近的特征信號峰對應檸檬酸的亞甲基碳(C8，C11)，E-CNCs 的季碳(C9)可能在化學位移δ70-75 ppm 處無法從糖環上的碳區分開來，在化學位移δ174.2 ppm 附近的特征信號峰對應檸檬酸的羧酸羰基碳(C10，C12)。在化學位移δ174.2 ppm 附近的特征信號峰對應檸檬酸的酯基碳(C7)[9]，與紅外譜圖(圖 9)中 1725 cm-1附近 C=O 吸收峰均說明了在機械力化學的協同作用下，檸檬酸成功接枝到了纖維素表面。

　　2.2.4 XRD 分析

　　圖 11 為竹纖維原料和不同取代度的 E-CNCs 的 XRD 譜圖。圖中將取代度為 0.08、0.18、0.22、和 0.25 的 E-CNCs 分別標記為 E-CNCs-1、E-CNCs-2、E-CNCs-3、E-CNCs-4。由圖 11 可以看出竹纖維和 E-CNCs 的 XRD 衍射峰在 2θ=15.1°、16.5°、22.5°和 34.7°出現典型纖維Ⅰ型的衍射峰[29]，分別對應于(1-10)、(110)、(200)和(004)晶面，表明纖維素酯化改性后的 E-CNCs 的晶型并未有所改變[14]。與竹纖維相比，E-CNCs 在 2θ=25.5°上的衍射峰加強，結晶度由 68.2%增加到 80%，表明在機械力化學作用下纖維素分子中的糖苷鍵及分子鏈斷裂，無定形區降解，結晶度提高[30]。由公式(4) 可得 E-CNCs-1、E-CNCs-2、E-CNCs-3、E-CNCs-4 的結晶度分別為 80%，79.6%，78%，75%。可知隨著取代度的增加，結晶度稍微有所下降，表明檸檬酸與纖維素的酯化改性只發生在纖維素表面，幾乎沒有破壞纖維素的內部結構。

　　2.2.5 TGA 分析

　　圖 12 為竹纖維原料和不同取代度的 E-CNCs 的 TG 和 DTG 譜圖。圖中將取代度為 0.08 和 0.25 的 E-CNCs 分別標記為 E-CNCs-1 和 E-CNCs-4。從圖中可以看出，在 30~130 ℃是纖維素表面吸附的自由水所造成質量損失，且 E-CNCs 質量損失比竹纖維要大，其隨取代度增加而增加，說明酯化后的 E-CNCs 因羧基修飾而更具有親水性，且吸濕性增強[31-32]。竹纖維的起始分解溫度和最大失重速率溫度分別為 195 ℃和 336 ℃，E-CNCs-1 的初始分解溫度和最大失重速率溫度分別是 260 ℃和 358 ℃，E-CNCs-4 的初始分解溫度和最大失重速率溫度分別是 253 ℃和 355 ℃。這表明機械力化學法制備的 E-CNCs 的熱穩定性增強。

　　3 結 論

　　以竹纖維為原料，磷鎢酸為催化劑，采用機械力化學法制備得到了檸檬酸酯化納米纖維素(ECNCs)。球磨時間 1.5 h、磷鎢酸濃度 6%、反應時間 6 h、超聲時間 1.5 h 的優化條件下，E-CNCs 的得率可達到 75.6%，取代度為 0.25。制備的 E-CNCs 呈棒狀，直徑約為 8-10 nm，長度約為 180~210 nm。晶型為纖維素 I，結晶度達到 80%，熱穩定性較竹纖維有所提高。FT-IR 和 13C-NMR 分析表明檸檬酸成功的接枝到納米纖維素表面。研究結果表明，機械力化學作用能夠使纖維素反應活性增加，促進水解反應速率，提高酯化反應的接枝率。機械力化學法綠色環保，操作簡單，可實現纖維素納米化和酯化同步進行，為酯化納米纖維素和纖維素基納米復合材料的制備提供了一種簡便、綠色的途徑。