不同氧化法和酶处理制备纳米纤维素的研究

不同氧化法和酶处理制备纳米纤维素的研究

纤维素是自然界中最常见的天然活性物质。纳米纤维素常见制备方法有化学法、机械法、生物法、人工合成法、静电纺织法和酶处理法等笔者主要通过过硫酸铵氧化降解法和酶处理结合机械研磨法分离制得纳米纤维素,并采用透射电子显微镜(TEM)、马尔文粒径仪、傅里叶红外光谱仪(FITR)和X-射线衍射仪(XRD)对制备的纳米纤维素微观形貌、谱学性能及晶型结构进行表征分析,为分离纳米纤维素的工艺优化提供新的理论和实验依据。1材料和方法1.1原料和试剂针叶材纸浆纤维,来源于江苏省某造纸厂;纤维素酶,购自宁夏和氏璧生物技术有限公司;过硫酸铵、柠檬酸(H1.2x-射线衍射法xrd超声波细胞破碎仪,型号XO-2500D;透射电子显微镜,型号JEM-1400;高速冷冻离心机,型号CR21GⅢ,Hitachi;组合型多功能水平X-射线衍射仪(XRD),型号UltimaIV;傅里叶变换红外光谱仪,型号Nicolet380,ThermoFisherScientific;马尔文激光粒度仪,型号ZetasizerNano;水浴恒温振荡器锅,型号SHZ-A;研磨机,型号MKCA6-3,日本Saitama公司。1.3测试方法1.3.1高速冷冻离心液法将3g纸浆加入到300mL的1.5mol/L过硫酸铵溶液中,70℃恒温恒速搅拌16h后加入600mL蒸馏水稀释并终止反应;静置数小时后,去除上层清液,利用高速冷冻离心机(CR21GⅢ,Hitachi)将悬浮液离心5次(21000r/min,10min),每次移除上层清液,并加入蒸馏水稀释,直至上清液变浑浊;将浑浊液收集入透析袋(MD77,8000~14000u)中,在流动蒸馏水中透析2~3d,直至pH6~7,超声分散处理20min(功率2000W),制得CNC。1.3.2酶解纤维素1)碱纤维素的制备。用碱处理工艺脱除纸浆中的半纤维素。质量分数8%的氢氧化钠溶液,与脱除木质素的原料按固液比1∶30混合反应后真空抽滤洗涤至pH呈中性。真空抽滤后,将所得固体放入烘箱干燥12h,即得到碱处理后的纤维素。2)机械研磨碱纤维素。称取10g碱纤维素加入到1000mL蒸馏水中,常温润张24h后,进行研磨处理,先粗磨后精磨,料液经过研磨机精磨,研磨次数为15次,即得微纤化纤维素(MicrofibrillatedCellu-lose,MFC)。3)酶解制备纳米纤维素。取24g研磨后MFC悬浮液样品(固含量2.5%)与提纯后纤维素酶在pH4.8柠檬酸缓冲液中混合。设置反应温度50℃,固液比1∶50,振幅80,提纯纤维素酶加酶量为30U/g底物,酶解时间为24h。4)酶解后处理。提纯纤维素酶对碱法纤维素底物作用,反应结束后应去除纤维素酶和内切酶的活性,并将失活的酶和纳米纤维素产物分离开来。2性能试验和性能分析2.1纤维素的吸收峰属分析采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对两种方法制备的纤维素官能团进行表征(图1),其中,过硫酸铵氧化法的红外光谱图见图1A,酶处理结合机械研磨法的红外光谱图见图1B,表1列出了纤维素样品的主要吸收峰归属。根据图1可知,原料纸浆和样品CNC、NFC在3700~3000cm2.2x-射线衍射图谱图2A、B分别为过硫酸铵氧化法所得样品CNC和酶解法结合机械研磨法所得样品NFC的X射线衍射图谱,表2罗列了原料和各样品的结晶度。采用X射线衍射法测定纤维素的结晶度,并根据Turley法式中:C由图2A、B可以看出,纸浆在2θ=15.1°,16.5°,22.6°和34.4°处出现4个衍射峰,这是纤维素Ⅰ型的典型特征衍射峰,分别对应的是晶面(110)、(110)、(002)和(040)。而样品CNC和样品NFC对应的X射线衍射图谱和纸浆的衍射图谱基本相似,也同样是在上述的4个位置附近出现衍射峰,峰位置基本保持一致,为纤维素Ⅰ的特征。这表明经过硫酸铵氧化降解处理和酶法结合机械研磨处理后纤维晶型仍然保持纤维素Ⅰ型,纤维晶型均未发生转变。不同的是,过硫酸铵氧化降解之后纤维结晶度比原料略降低了0.2%,而酶处理结合机械研磨处理后纤维素的结晶度比原料提高了10.4%。一般认为在纤维素分子链的长度方向上具有连续结构,一个纤维素的分子链包括结晶区和非结晶区(即无定形区),过硫酸铵受热分解产生自由基渗透到纤维素的无定形区,破坏无定形区的纤维素分子2.3氧化处理纳米纤维素在冷冻干燥制样时,随着水分的减少,晶须之间的氢键作用会使CNC产生不可逆的团聚现象,不能在SEM下观察到其真实的形貌特征,因此选择透射电镜观察。图3是经过硫酸铵氧化制备得到的CNC和酶法结合研磨处理所得样品的TEM图及其直径分布图。结合纤维素样品的透射电镜图和直径分布图可知,过硫酸铵氧化降解纸浆后,纤维形貌尺寸显著降低,制得直径10~20nm的纳米纤维素,纳米纤维素的分散较无序,呈短棒状,也有部分长纤维;而酶法结合机械研磨法,通过温和水解结合机械剪切力的作用使纤维有效地纤丝化到纳米尺寸级别,直径分布在30~60nm之间,所得纳米纤维素在结构上与过硫酸铵氧化法制得的CNC相比杂乱无序,分散不均匀,纤维团聚的现象较为严重。3机械研磨法与酶法处理纳米纤维素的形态分析1)过硫酸铵氧化降解法简单、易操作,但是反应剧烈,其固液比、反应时间和反应温度都会对纤维的得率、形貌和尺寸有较大的影响;而酶处理结合机械研磨法利用提纯纤维素酶可以使纤维素在温和的条件下水解,纤维素酶的提纯和纤维素酶的添加量和酶解时间都对酶解产物有重要影响,过程复杂。2)肉眼观察纳米纤维素的宏观形貌,过硫酸铵氧化法的CNC悬浮液胶体呈淡蓝色,具有较好的分散稳定性,随着浓度的增加,黏度不断增大,透光率下降。酶处理结合研磨处理制备的纳米纤维素的分散稳定性则相对较差,得率低。3)纳米纤维素的微观形貌表明,过硫酸铵氧化法和酶处理结合机械研磨法处理后纤维形貌尺寸显著降低,过硫酸铵氧化法的纤维尺寸更小,分布集中,多为短棒状;酶法纤维素分散不均匀,团聚现象较为严重。谱学性能及晶型结构的分析表明,纤维素的结构和晶型均没有发生改变,仍然保持纤维素