GB∕T 43263-2023 纳米技术 纤维素纳米晶的表征方法（正式版）

纳米技术纤维素纳米晶的表征方法Nanotechnologies—Characterizationofcellulosenanocrystals2023-11-27发布国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会I 12规范性引用文件 l3术语和定义 14符号和缩略语 25纤维素纳米晶的制备 36组成 56.1化学组成 56.2表面官能团 56.2.1硫酸半酯的测定 56.2.2羧酸含量的测定 86.3聚合度 96.4结晶度 6.4.1概述 6.4.2X射线衍射 6.4.3核磁共振 6.4.4振动光谱 6.4.5纤维素纳米晶结晶度的测量 6.5水分含量 6.6.1概述 6.6.2源自纤维素生物质的残留杂质 6.6.3金属离子 6.6.4X射线光电子能谱法检测杂质 7纤维素纳米晶形貌 7.1显微镜得到的长度和宽度分布 7.1.1概述 7.1.2电子显微镜 7.1.3原子力显微镜 7.1.4图像分析 7.1.5纤维素纳米晶的显微尺寸分布 7.2动态光散射测量粒度 Ⅱ8纤维素纳米晶表面特性 8.1比表面积 8.2表面电荷 9其他特性的表征 9.1热稳定性 9.2黏度 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件等同采用ISO/TR19716:2016《纳米技术纤维素纳米晶的表征方法》,文件类型由ISO的技术报告调整为我国的国家标准。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。纤维素纳米材料，包括纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝。纤维素纳米晶是通过强酸水解、化学或酶氧化等方法从树木等植物的纤维素中提取的[1-3]。纤维素纳米晶作为一种新型的可持续聚合物纳米材料，主要是从木浆等可持续的资源中制得，且其大量生产以及相关加工设备得到不断完善，增加了纤维素纳米晶的商业化开发可行性。纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝在一些国家是以中试、预商业化或商业化规模生产的。根据预计的应用领域和市场渗透率，纤维素纳米材料的全球产量每年达3500万吨[4,5]。为了对纤维素纳米晶进行认证以实现商业开发和应用，需要制定纤维素纳米晶的表征方法纤维素纳米晶是一种具有较高长径比、高比表面积和机械强度，并自组装成具有独特光学性质手性向列相的棒状纳米材料。它们的长度小于纤维素纳米纤丝，但具有更高的结晶度。由于具备上述性质，以及能通过调控纤维素纳米晶表面电荷和化学性质使其分散于各种基质之中，纤维素纳米晶在许多剂和生物医学产品等。本文件描述了与纤维素纳米晶表征相关的样品制备、数据采集与数据分析/解释对纤维素纳米晶商业化产品的开发具有重要作用。本文件描述了用于表征特定性质的各种方法，但没有推荐标准方法或提供这些技术的详细信息。本文件范围仅限于生产的纤维素纳米晶，不包括生产后改性的纤维素纳米晶或纤维素纳米晶增强材料或产品。1纳米技术纤维素纳米晶的表征方法本文件描述了常用的纤维素纳米晶的表征方法，包括样品制备、测量方法和数据分析，涵盖了用于2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。弱束缚颗粒的堆积体、聚集体或二者的混合体，其外表面积与其单个颗粒的表面积的总和相近。注1:支撑团聚体的作用力都是弱力，如范德华力或简单的物理缠结。注2:团聚体也被称为次级颗粒，而源颗粒则被称为初级颗粒。强束缚或融合在一起的颗粒构成的新颗粒，其外表面积可能显著小于其单个颗粒表面积的总和。注1:支撑聚集体的力都是强作用力，如共价键或源于烧结或复杂的物理缠结。注2:聚集体也被称为次级颗粒，而源颗粒则被称为初级颗粒。具有晶体结构的纳米物体。两个维度外部尺寸相近且处于纳米尺度，剩余一个维度外部尺寸明显大于其他两个维度尺寸的纳注1:最长的外部尺寸不一定在纳米尺度。注2:也能使用纳米纤丝和纳米丝这两个术语。一维、二维或三维外部尺寸处于纳米尺度的物体。注：用于所有分立的纳米尺度物体的通用术语。2实心纳米纤维。处于1nm至100nm之间的尺寸范围。注1:本尺寸范围通常、但非专有地表现出不能由较大尺寸外推得到的特性。对于这些特性来说，尺度上、下限值是近似的。注2:本定义中引入下限(约1nm)为了避免将单个原子或原子团簇认为是纳米物体或纳米结构单元。4符号和缩略语下列符号和缩略语适用于本文件。AEC:阴离子交换色谱法(anion-exchangechromatography);AFM:原子力显微镜(atomicforcemicroscopy);BET:BET比表面积测定方法(Brunauer-Emmett-Tellermethodfordeterminationofspecificsur-facearea);Crl:结晶度指数(也称CI)[crystallinityindex(alsoCI)];CNC(s):纤维素纳米晶[cellulosenanocrystal(s)];CP-MAS:交叉极化-魔角旋转(crosspolarizationmagicanglespinning);d₁:流体力学直径(hydrodynamicdiameter);DP:聚合度(degreeofpolymerization);D:平动扩散系数(translationaldiffusioncoefficient);DSC:差示扫描量热法(differentialscanningcalorimetry);DLS:动态光散射(dynamiclightscattering);EM:电子显微镜(electronmicroscopy);FE-SEM:场发射扫描电子显微镜(fieldemission-scanningelectronmicroscopy);FTIR:傅里叶变换红外光谱(Fouriertransforminfraredspectroscopy);GLC:气-液色谱法(gas-liquidchromatography);ICP-OES:电感耦合等离子体发射光谱(inductivelycoupledplasma-opticalemissionspectroscopy);ID:同位素稀释(isotopedilution);IR:红外(infrared);PI:多分散性(polydispersity);ssNMR:固体核磁共振(solidstatenuclearmagneticresonance);SEM:扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy);TEM:透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy);TEMPO:2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxyfreeradical);TGA:热重分析法(thermogravimetricanalysis);U::电泳迁移率(electrophoreticmobility);XPS:X射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy);XRD:X射线衍射(X-raydiffraction);e:介电常数(dielectricconstant);3k:波尔兹曼常量(Boltzmannconstant);5纤维素纳米晶的制备纤维素是一种线性多糖，由相邻葡萄糖环的C₁和C₄碳原子之间的氧原子连接而成的脱水葡萄糖单元组成。在纤维素的生物合成过程中，通过氢键连接在一起的堆叠的葡萄糖大分子链，在酶复合物作用下，组装成基元纤丝。聚合物链的数量和结构是生物体特有的。这些基元纤丝进一步组装成尺寸更大的纤维素和其他组分的微纤丝结构，具体结构也取决于纤维素的来源。纤维素纳米晶由一根或多根基元纤丝构成，包含有结晶区和无定形区。纤维素纳米晶的长度和宽度尺寸与其制备原料密切相关，纤维素纳米晶的长径比通常为5～50,无分支或网状结构。术语纤维素纳米晶与纳米晶纤维素和纤维素纳米晶须同义。纤维素纳米纤维或纳米纤丝化纤维素通常比纤维素纳素成分。纤维素纳米纤维的宽度通常为5nm～50nm,长径比大于50。纤维素纳米材料术语见参考文纤维素纳米晶可从多种富含纤维素的原材料制备，其制备原料以木材和其他植物为主，也包括藻和/或化学预处理去除非纤维素成分，降低颗粒尺寸并增加暴露表面积。随后，对样品进行强酸水解或氧化处理，去除更容易反应的无定形区，并将纤维素纳米晶从纤维素纤丝中分离出来(见图1)。尽管有时也会用到盐酸、磷酸等，但硫酸水解法是实验室研究和中试商业设施中最为广泛使用的纤维素纳米晶促氧化和过硫酸铵氧化[1618]。在酸水解或氧化处理后，通过离心/过滤和洗涤等步骤纯化纤维素纳米晶。酸水解制备纤维素纳米晶的典型步骤如图2所示。H-QHpHOHH-CHOHoHHOHH标引序号说明：1——纤维素；2——纤维素纤丝；3——纤维素纳米晶；4——微纤丝；5——无序的；6——结晶的；7——基元纤丝；8——水解或氧化。图1从纤维素纤丝制备纤维素纳米晶的示意图4必要时重复必要时重复生物质预处理：——生物质均质化：化学性质和颗粒尺寸；——反应更稳定；——具体生物质类型：树木、植物、细菌、藻类等酸水解：——水解纤维素无定形区；——调控：酸的浓度、酸/浆比、温度、时间——去除大颗粒；——离心、重力沉降等超滤：——去除酸、糖等；——膜、透析等纤维素纳米晶：——成分(结晶度，聚合度和表面化学);——颗粒形态(长度、宽度);——纯度(木质素、金属离子、污染物、添加剂等);——表面性质(Zeta电位、表面积等)图2酸水解法制备纤维素纳米晶的典型工艺概述硫酸水解法制备的纤维素纳米晶的表面有带负电荷的硫酸半酯，从而形成稳定的水相胶体悬浮液。TEMPO(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧自由基)催化氧化方法可将使用硫酸或盐酸制备的纤维素纳米晶尺寸与所用的纤维素原料相关，木浆制备的纤维素纳米晶平均长度为100nm～200nm,宽度为4nm~9nm,而细菌和被囊动物制备的纤维素纳米晶的尺寸更大，长度为1μm～2μm,宽度可达50nm²]。由酸水解制备的纤维素纳米晶悬浮液可直接使用。但在大多数情况下，通过用氢氧化物(XOH)或碳酸盐(X₂CO₃)等碱溶液中和纤维素纳米晶悬浮液，体系中的其他阳离子可取代质子，得到纤维素纳米晶盐(X-CNC,其中X是与阴离子基团相关的反离子),例如，用氢氧化钠(NaOH)或碳酸钠(Na₂CO₃)中和H-CNCs,是pH中性的Na-CNC盐最典型的商业化生产方式。通过氢氧化物碱溶液中和酸性基团，可置换样品中的质子反离子[29],这一过程也可通过利用离子交换树脂处理样品来实现[30]。因干燥后的产品可在水中分散等优点[28],可将纤维素纳米晶水悬浮液进行喷雾干燥或冷冻干燥，转变为固体以利于储存和运输。纳米晶样品。有些表征方法需要干燥的样品，而有些表征方法则需使用纤维素纳米晶悬浮液。使用纤维素纳米晶的水悬浮液时，可用去离子水、稀释的缓冲液或盐(NaCl)溶液将样品稀释到所需浓度。干5燥的样品可在水中重新分散，关于粉末在液体中分散的通用指南见ISO14887[31]。尽管超声处理步骤通常用于分散聚集体和团聚体，但缺乏可重复性，可能导致结果的变化[32]。提高纤维素纳米晶粉末样品溶液的再分散性和可重复加工性，并非易事。具有完全质子化硫酸半酯的纤维素纳米晶薄膜在干燥后不能重新分散，而含有一价阳离子(如钠)的纤维素纳米晶经超声处理后则可重新分散，得到与干燥前相似的、稳定的胶体悬浮液[29]。通过蒸发、冻干或喷雾干燥制备的中性纤维素纳米晶钠盐的再分散详细步骤可参见参考文献[28]。干燥纤维素纳米晶的反离子和水分含量以及超声条件(功率、纤维素纳米晶浓度)均会影响纤维素纳米晶(再)分散性。纤维素纳米晶的钠盐在完全干燥时可完全分散，而质子化纤维素纳米晶只有在水分质量分数在4%的阈值以上时才可完全分散。本文件使用硫酸水解方法制备并在纤维素表面有硫酸半酯基团修饰(纤维素硫酸酯)的纤维素纳米方法也适用于其他类型的纤维素纳米晶或纤维素纳米纤丝，例如，表面官能团的检测与量化是针对特定的纤维素纳米晶制备方法的。纤维素反离子的性质对某些测量很重要，特别是通过电导滴定法(见6.2.1和6.2.2)和Zeta电位(见8.2)确定由硫酸半酯或羧酸盐基团产生的表面电荷。除非另有说明，纤维素纳米晶样品中特定反离子并不影响本文件中讨论的表征方法。纤维素纳米晶具有的特定物理化学性质，与含有的纤维素颗粒及制造过程进行的表面化学有关。在商业化的时候，有必要阐明在这个领域中使用的几点描述：纳米技术中纤维素纳米晶的几何形态、工业生产方法中所用的纤维素纳米晶化学形式。具体内容[33]如下：a)化学性质描述(纤维素，硫酸氢盐与总硫含量质量分数大于或等于0.5%、小于或等于1.0%的钠盐);b)生产方法描述(通过硫酸水解漂白纸浆制得);c)长度(标称长度为100nm±50nm)和宽度(宽度尺寸小于或等于10nm)的几何描述，在设定6.1化学组成作为一种纤维素，纤维素纳米晶的化学性质可通过微晶纤维素的定性鉴定测试方法进行评估，如将干燥的纤维素纳米晶分散在碘代氯化锌中会产生紫蓝色的颜色35]。根据分子式[(C;H₀O₅)。],并在表面官能团取代度已知的情况下，也可通过元素分析来确认它们的化学组成。尽管元素分析提供了一些关于表面官能团的信息(例如硫酸半酯中硫的百分含量),但通常使用更详细的测试来量化表面官能团(见6.2)。使用6.4.1中概述的测定硫方法，利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)可确定具有阴离子表面基团纤维素纳米晶的无机金属反离子含量。通常，纤维素纳米晶的密度与其他类型纤维素相同[2],测得的含硫和脱硫纤维素纳米晶的密度分别为1.56g/cm³和1.63g/cm³[36]。通过硫酸水解方法制备的纤维素纳米晶，其表面有硫酸半酯基团。这些负电荷基团的浓度决定了纤维素纳米晶表面的电荷密度，并控制了纤维素纳米晶在水悬浮液中的胶体稳定性，以及自组装行为和流变性能。测定硫酸半酯含量有两种方法。第一种方法是通过元素分析方法测量总硫含量[26.2]。纯化样品以确保去除所有残留的未结合硫酸根离子后，测得的总硫含量可直接转换为纤维素纳米晶硫酸半酯含量[3];第二种方法是利用碱溶液对纤维素纳米晶表面的酸性硫酸半酯基团进行电导滴定，并比6较各种纤维素纳米晶的测定结果。通过元素分析或电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测量总硫含量，使用的光谱仪配有同心雾化器、旋流雾室和带有石英中心管的石英炬管，并根据制造商的规程进行优化。在高压密闭容器中，使用高纯度硝酸和盐酸进行微波辅助样品消解，或者用强酸(如硝酸和高氯酸)湿法灰化样品，使样品完全溶解[38]。消解后，使用批量赶酸系统蒸发多余的酸。利用硫在180.669nm和181.972nm的发射线，通过ICP-OES进行分析。使用标准加入法测试(以补偿任何残留的基质干扰),其中硫酸盐中硫的增量加标由硫标准物质溶液(如硫国家标准物质/样品)制备。稀释样品以确保响应在线性范围。样品中加入重量上至少两个增量水平的适当量的已知校准标准，每次加标后样品中总硫浓度宜增加一到两倍，且分析响应是线性的。硫浓度的计算需要三点(最小)加标校准。由于样品和空白加标校准函数的斜率可能不相等，宜分别对C,和Cm进行校准。注意，除硫浓度很低外，虽然通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,见6.6.3)也可获得总硫含量，但ICP-OES是更直接的方法。使用碱溶液(如氢氧化钠)对纤维素纳米晶表面的酸性硫酸半酯基团进行电导滴定，是测定硫酸半树脂处理，以确保硫酸半酯完全质子化。纤维素纳米晶样品通常用去离子水稀释或重新分散(通常质量分数小于或等于1.5%),然后用纯水透析，直到膜周围水的pH和电导率接近纯水且不再变化。也可使用中空纤维膜透析系统，大幅增加交换表面积，并通过样品和透析液的对流保持大浓度梯度，从而减少透析时间。在纤维素纳米晶质子化之前，氢型强酸性阳离子交换树脂宜用大量纯水冲洗，直到滤液无色、pH和电导率与洗涤水相同。在纤维素纳米晶浓度足够低时，宜向透析后的纤维素纳米晶悬浮液中新鲜树脂进行多次连续处理，特别是在纤维素纳米晶以中性盐的形式存在时，以实现完全质子化。另外，将稀释后的悬浮液通过填充有这种树脂的柱子，会加快处理速度[3]。这样处理确保了不含残余溶解离子的纯纤维素纳米晶悬浮液完全质子化，产生的硫酸半酯与质子的比例为1:1,确保了滴定结果的准确性。最后，用重量法测定质子化纤维素纳米晶样品的浓度。将已知体积的样品称量后与稀盐化钠样品达到平衡后，测量样品的电导率。由滴定曲线不同区域数据点所拟合的回归线交点来确定等价点(见图3)。加入NaOH的体积/mLa)含有强酸性硫酸半酯基和少量弱酸性羧酸基的H-CNCs图3电导滴定曲线示意图7b)使用两种不同浓度的氧化剂生成的TEMPO-催化氧化的纤维素纳米晶解释电导滴定数据时，不要将实际检测到的质子(通过氢氧化钠中和)与根据滴定结果计算的硫酸半酯含量相混淆。基于样品中质子与硫酸半酯基团的比例是1:1的假设，进行滴定法的计算。滴定法不需要专门且昂贵的设备，易用于纤维素纳米晶生产过程中的质量控制。通过滴定和元素分析测量的木质纤维素纳米晶和其他类型纤维素纳米晶的硫酸半酯和硫含量典型由于滴定分析的纤维素纳米晶样品准备不足，特别是不能确保纤维素纳米晶在透析纯化后完全质子化，滴定值通常低于元素分析的测定值[40]。对于纤维素纳米晶钠盐，不可通过电导滴定法测量其硫酸半酯含量，但可通过元素分析，如ICP-OES测量。混合床离子交换树脂(含有氢氧化物形式的阴离子交换树脂)处理纤维素纳米晶样品也能去除单质硫，因此，宜避免使用混合床离子交换，只使用透析法进行纤维素纳米晶悬浮液纯化[37]。存在含硫污染物时，如硫酸根离子，将产生错误的元素分析结果(若它们是质子化的，也会得到高的电导滴定值),故透析对纤维素纳米晶悬浮液纯化很重要。由于在纤维素原料的生物合成过程中，存在无法被滴定剂[39]接触到的硫酸半酯基团或其他形式的硫，可能会造成用滴定法和元素分析法分别测量的硫酸半酯/硫含量之间的差异[45]。由于这些差异，若使用元素分析来估算硫酸半酯的纤维素纳米晶表面电荷，宜同时对纤维素纳米晶纤维素原料进行元素分析，以获得硫的估计值。重要的是要理解总硫(通过元素分析方法，如ICP测量)、可滴定硫(可被滴定剂接触的质子化硫酸半酯基)、对表面电荷有贡献的硫酸半酯含量(所有表面硫酸半酯基)和总硫酸半酯含量(可被滴定剂接触和不可被滴定的硫酸半酯基团)不一定是完全一样的数值。针叶树材牛皮纸浆纤维素纳米晶总硫和可滴定硫是相等的，这表明其所有的硫酸半酯都在表面[37。将纤维素原料和纤维素纳米晶的元素分析与质子化纤维素纳米晶的电导率滴定相结合，可得到最全面的信息。通过盐酸水解从同一来源提取的纤维素纳米晶元素分析也可能有助于确定纤维素纳米晶的“本征硫含量”。若纤维通过硫酸水解提取，然后经过TEMPO催化氧化制备的表面羧酸纤维素纳米晶样品中硫酸半酯含量的评估也较为复杂。若存在大量弱酸性的羧酸，则难以用电导滴定法测量硫酸半酯(强酸)含量，但对于含有少量弱羧酸基团的未氧化纤维素纳米晶样品，在存在少量羧酸基团情况下，可测定硫酸半酯，如最后，通过X射线光电子能谱(XPS)原子百分比数值一般在0.3%~0.6%。将纤维素纳米晶表面含硫量的元素分析结果与电导滴定结果进行比较，其含硫量与表1中数据8XPS和电导滴定方法都表明，脱硫后的纤维素纳米晶比硫酸水解得到的初始纤维素纳米的变化。虽然没有报告薄膜的厚度，但当用XPS测量单个单层纤维素纳米晶薄膜时，原则上两种方法会得到相同的硫含量，因为约10nm的穿透深度大于颗粒宽度(关于纤维素纳米晶的XPS测量的更多表1各种纤维素纳米晶样品中硫酸半酯和硫含量单位为毫摩尔每千克纤维素原料滴定法(标准偏差)元素分析(标准偏差)预处理参考文献棉花205(10)220(20)⁵透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白硫酸盐纸浆)透析细菌(高纤维椰果)纤维素5透析阔叶树材(桉树)—透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白亚硫酸盐纸浆)290(35)—透析，混合床离子交换树脂针叶树材(可溶性亚硫酸盐纸浆)0.57个原子%透析棉花221(6)透析，强酸阳离子交换树脂棉花透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白硫酸盐纸浆)225(15)225(15)'透析，强酸阳离子交换树脂’列出的标准差见参考文献。”未指定元素分析技术。通过X射线荧光进行元素分析。通过XPS进行元素分析(基于C、O和S含量)。通过硫燃烧为二氧化硫的定量转换进行定量分析，使用红外或热电导率仪检测燃烧气体中的硫。通过ICP-OES进行元素分析(总硫)。用氢氧化钠通过电导滴定法测定氧化的纤维素纳米晶的羧酸盐含量方法与6.2.1中所述相似。滴3个线性部分(强酸、弱酸、过量滴定剂)确定羧酸盐的含量，从而得到两个等价点(强酸和总酸)。从总酸含量中减去强酸含量，得到弱酸(羧酸)含量(见图3b)]。如6.4.1所述，在已被高度氧化(如通过TEMPO催化氧化)的硫酸水解纤维素纳米晶中，硫酸半酯基团(强酸)的存在阻碍了用电导滴定法测定9利用电导滴定法测定表面羧酸含量可得到样品的氧化程度，定义为纤维素纳米晶样品中羧基的质量分数51。在一些情况下，样品的氧化程度由TEMPO催化氧化体系中氧化剂和纤维素的比率决定；假设纤维素表面可反应的全部羟基都转换为羧酸，可获得一个平台值。多数情况下，样品的氧化程度为大大高于硫酸半酯的典型值200mmol/kg(见表1)。表面羟基完全氧化的不同表面积/质量比的纤维素纳米晶颗粒将给出不同的氧化程度。若基于单晶晶胞参数估算纤维素链及表面(羟基)分数，则预测得到的氧化程度与实验测得的值通过傅里叶变换红外光谱(FTIR),使用1634cm-¹处羧酸的羰基伸缩振动产生的强吸收带，也可算氧化程度。因为在这个区域存在吸附水的干扰[5I],宜避免使用1608cm-¹处的羧酸盐阴离子的羰基伸缩振动。尽管电导滴定法更可靠和可重复[s¹],但在一些情况下，FTIR方法与电导滴定法的测定结果聚合度(DP)是单个纤维素聚合物链中葡萄糖单元的数量，是衡量纤维素纳米晶生产过程中纤维素的降解程度的指标。纤维素的酸水解通常会使DP迅速下降到一个极限值或平衡值[27,53],这表明在去除纤维素无定形区之前，沿纤维长轴排列的单个晶体的大小与极限DP有关[8.53]。用DP作为水解或氧的极限值取决于纤维素的原料，从木浆中提取的纤维素纳米晶的DP极限值为90～200,从藻类中分离得到的较大纤维素纳米晶的DP最高值达有两种方法可测量各种纤维素材料包括纤维素纳米晶的DP。第一种比较简单的方法依据测量溶解在铜乙二胺溶液中的纤维素的极限(特性)黏度，参照纸浆、纤维素和纸张及纸板黏度测量的标准方法[5961]。不同标准方法在计算极限黏度的表达式上略有不同，极限黏度与平均DP可通过表达式联系起来。通过以DP为目标参数，对化学浆料提取纤维素纳米晶的水解条件进行优化，结果表明两种计算第二种测量纤维素纳米材料DP的方法是尺寸排阻色谱法(SEC),使用标准样品进行校准或通过多角度光散射直接测定分子尺寸。SEC方法的优点是提供DP分布，而不是平均DP(见图4)。这种方法要求纤维素在色谱分析前完全溶解，通过在含金属的溶剂中的溶解来实现，如含氯化锂的N,N-二甲基乙酰胺，这种溶剂破坏了阻止在普通溶剂中溶解的氢键网络，或通过化学改性获得可溶于溶剂的纤维基甲酸酯是首选方法[55]。通过SEC计算DP分布，需要将羟基完全转化为碳酸盐。对于含有木质素或半纤维素的纸浆，溶剂的选择对转化有显著影响。尽管SEC在确定DP分布方面有优势，但与更简单相对浓度相对浓度图4用于确定含硫(B)、脱硫(C)和聚合物改性(A)纤维素纳米晶的聚合度的尺寸排阻色谱图多个独立纤维素链的组装形成基元纤丝，基元纤丝聚集成更大的单元，从而形成高度有序的结晶区和无序的无定形区。纤维素纳米晶结晶度是一个重要的评估参数，因为它影响到纤维素和其所包含纤维素的复合材料的物理、化学和机械性能。纤维素有几种结晶形式，其中纤维素I是由各种生物体自然产生的形式。纤维素I是两种多晶(同质异晶体)的混合物，其相对数量因纤维素来源而异，纤维素I。具有三斜结构，在藻类和细菌中占多数，单斜纤维素I:是高等植物和被囊动物中最丰富的多晶类型。利用X射线衍射(XRD),以及固体¹³C核磁共振(NMR)、红外(IR)和拉曼光谱，已经对包括纤维素纳米晶在内的多种纤维素材料中的结晶纤维素成分进行了广泛研究[6368]。各种方法提供了关于两种晶型的比例、结晶度(定义为样品中由晶体组成的质量分数)的信息，XRD表征还提供了单个晶体的尺寸。峰高或峰面积，常使用各种不同的去卷积和数据分析方法，对需要校正背景信号中的重叠峰进行处理。在某些方法(如XRD)中，结晶度取决于所使用的仪器。下文讨论了通过XRD、NMR和振动光谱测定结晶度百分比的方法，然后对纤维素纳米晶的结果进行了比较。需注意的是，该领域开发的大部分方法都集中在木浆或较大的纤维素纤丝上，而不是纤维素纳米晶。尽管文献多用有序/无序程度等术语描述纤维素，本文件主要使用无序及结晶(结晶度%)术语。纤维素纳米材料具有晶体和无序成分的特征衍射图案(见图5a)、图5b]和图5c)],可通过每个组分在20世纪50年代开发的峰高法。此方法(见图5a)]基于在22.6°和18°处的20衍射角，分别代表结晶和无序纤维素信号的峰值高度，在修正了背景强度后，根据结晶(I2oo)和无序(无定形，Im)峰的高度来计算结晶度指数[Crl(或CI)],定义为由结晶纤维素组成的样品质量分数，见公式(1)。Crl=(I2oo-Im)/(Izaa)×100……………(1)强度强度此方法没有充分考虑到非晶态宽峰的实际位置，只使用了几个结晶峰中一个峰的数据。此外，结晶和无序纤维素引起的峰的宽度不同。通常认为此经验性峰高方法高估了结晶度的百分比[6]。第二种方法是采用去卷积程序来分离衍射谱中的无序和结晶成分[见图5b]]。此曲线拟合程序需要有关结晶峰的形状和数量信息，并假设峰的展宽是由无定形纤维素含量引起的，而忽略了任何可能来自晶体尺寸的贡献。在对衍射谱进行去卷积后，结晶度计算为所有结晶峰面积与总面积的比值。第三种方法(见图5c)][64,7]通过从衍射谱中减去无序物质的贡献来确定结晶度。无序物质的贡献是通过单独测量一个完全无序的样品确定的。a)峰高法b)峰积分法c)减去无序物质的方法图5纤维素的X射线衍射谱图计算结晶度指数的3种方法使用谢乐(Scherer)公式从XRD测量数据中估算晶体尺寸[72],该公式依赖于对结晶峰半高宽的测量，并假定峰宽是由晶体的有限尺寸决定的[2]。仪器展宽和晶格缺陷也可能导致线的展宽，估计的展固体¹³C交叉极化魔角旋转(CP-MAS)核磁共振也被用来估算纤维素纳米材料(包括纤维素纳米纤维素的碳信号出现在55×10-6～120×10-6之间(见图6a)],具有宽且分离良好的峰，指认为C、C₄和C₆。由于约85×10-6～92×10-6晶体碳和约80ppm～85ppm无序碳的共振，C,具有明显的共振。由于纤维素的结晶性和无序性，C。也表现为单峰。最常利用化学位移的这种差异及C,结晶峰与无序峰的总积分强度来计算结晶度[64.65]。例如，在图6a)所示的波谱中，通过硫酸水解制备的木浆纤维素纳米晶，根据C₄和C。的无定形和结晶信号的强度，测得结晶度为64%。对各种类型纤维素进行核磁共振研究，采用各种峰值拟合和去卷积方法详细地分析波谱。例如，在某些情况下，晶体C₄的信号可分成由I。和Ig晶型以及准晶纤维素组分[见图6b)中去卷积后C₁区域的波谱]。准结晶纤维素的有序度低于结晶成分，但比无序纤维素的有序度高，通常指认为纤维素纤维表面以下的纤维素链或内部的扭曲。C₁和C。对定量I。和I。晶型的比例也很有用，因为它们对于I。纤维素，是一个单一的共振，而对于I₂,是一个双重共振。使用峰值拟合和去卷积方法，将无序纤维素的C,共振分解为可接触和不可接触的碳(见图6b)],以评估其表面积，如7.1所述。这些方法的详细描述见参考文献[65][77]。另一种从固体C的CP-MASNMR数据中估算纤维素结晶度的方法，依据质子在旋转坐标系下的弛豫时间常数[Tg(H)]的差异来解析有序和无序纤维素导致的峰值。无定形纤维素引起的共振比结晶成分引起的共振衰减得更快，记录两个或更多的Ti。(H)共振谱可用来确定结晶纤维素的对一种商业纤维素的XRD和NMR方法进行比较，并使用6.4.2和本条中描述的方法对8种商业纤维素的结晶度进行估算[64],结果表明，XRD峰高方法给出的数值明显高于其他方法，只能提供无序含量的粗略近似值，其他方法提供的结晶度值范围较窄，尚无法确定哪种方法对结晶度的评估最准确。NMR包括无序部分的表面基团，因此结晶度将低于XRD测量的结晶度，XRD可估计结晶纤维素的总体积分数[9。X图6固体¹³C交叉极化魔角旋转核磁共振波谱2——1g;3——AFS;4——IAFS;图6固体3C交叉极化魔角旋转核磁共振波谱(续)振动光谱法可定性和定量评估纤维素材料的结晶度，该方法使用成本较低的设备(与XRD或NMR相比)进行常规测量，并更快给出结果。早期研究采用红外光谱来提供结晶度的定性预测；随后开发的FTIR光谱仪实现了定量测量。基于测量无序和结晶含量的峰值比率，或测量对结晶含量敏感的峰值相对于不随结晶度变化的参考峰的强度，已开发了多种红外检测方法[8185]。基于CH₂弯曲模式的1429cm-¹和异构CH变形振动导致的893cm-'峰的强度比，分别衡量结晶和无定形含量，可确定初始结晶度指数，也称为侧向有序指数86]。基于1372cm-¹和2900cm-¹处分别由CH弯曲振动模式以及CH和CH₂拉伸振动模式引起的信号强度比可得到(总)结晶度指数。CH弯曲振动模式的强度随着结晶含量的增加而增加，而CH拉伸振动则不受结晶度变化的影响[83]。类似的可使用随结晶度变化的1280cm-¹的CH弯曲振动带和1200cm-¹的OH弯曲振动带[85]。通过使用已知结晶度的测试样品，或将测得的结晶度与X射线衍射测得的值比较，来进行红外方法验证或校准。基于3336cm-1和1336cm-¹处分别由分子内氢键和OH伸缩振动引起的峰强度比的经验关系可确定氢键强度[81,82],这种经验关系与晶相的有序度和分子间的规整程度有关。每种方法都在某种程度上只能给出样品结晶度/无序性的不同方面，通常FTIR只提供关于结晶度的定性信息[63,64]。拉曼光谱法也用于测量纤维素I的结晶度。最初的方法是基于对1481cm-¹(结晶)和1462cm-1(无序)的亚甲基弯曲振动模式的变化进行量化[6]。通过对结晶和无序纤维素的光谱进行详细调研，比较单变量和多变量拉曼方法的结果，表明380cm-¹和1096cm-'波段的强度比为检测结晶度的变化提供了更灵敏的方法[66]。这种方法在不同的纤维素原料中得到了验证，这些纤维素有荧光背景以及木质素和半纤维素的贡献；拉曼光谱数据与采用非晶校正峰高法计算的XRD结晶度吻合良好[87]。使用380cm-¹的拉曼振动，可估算纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝的结晶度[88]。除了结晶度的测量，振动在大多数情况下，使用XRD、NMR或振动光谱来测量结晶度时，需要样品保持干燥状态。有些样品制备方法直接使用了干的材料。将悬浮液沉积到一个合适的支撑物上并干燥可制备薄膜样品。有两种XRD样品制备方法，一种制备方法是将干的纤维素纳米晶粉末压在干净的硅或玻璃槽中，或在100kPa～1GPa压力下将粉末压入槽中。另一种制备方法是将纤维素纳米晶水相悬浮液沉积于硅槽后干燥。样品制备方法可能引入晶体的取向，这将影响衍射峰的强度，从而影响结晶度指数(CrI)和晶粒尺寸[6]。宜使用反射模式测量和侧载样品来最小化这些影响[69]。将干燥的纤维素纳米晶核磁共振样品放置在氧化锆MAS转子中，旋转速率的典型值为3kHz～10kHz。经过浓缩以去除大部分水分的再水化样品或未经干燥的悬浮液也可用CP-MAS测量。将干燥纤维素纳米晶压入溴化钾片中，或用悬浮液在衰减全反射晶体(ATR)上沉积一层薄膜来制备FTIR测试样品。使用XRD和NMR测量纤维素纳米晶的数据见表2。利用这两种方法可进行纤维素纳米晶的结晶度和形态表征，如用XRD测量了木浆纤维素纳米晶结晶度与酸浓度和水解时间的关系[27]。峰高法给出的数值高于去卷积(峰面积)法，这与其他纤维素材料观察到的趋势相同[27]。对于结晶度较低的样品，这两种方法之间的差异约为两倍(见表2的第一条)。去卷积法测量的结晶度在68.9%至89.1%之间变化，在45℃的64%酸溶液中获得最高值(～90%)和最小的晶体尺寸(～6nm,宽度),最高的结晶度对应最小的聚合度。从稻草中提取的纤维素纳米晶也有类似的趋势，即水解时间越长，结晶度越高(最高可达90.7%)。从苎麻和棉花中提取的纤维素纳米晶的结晶度测量值接近90%[。由棉花和木浆氧化产生的羧基化纤维素纳米晶的结晶度为85%和83%,接近于用硫酸提取的纤维素纳米晶的最高值[16,50],在其他情况下获得的数值较低(见表2)。由于样品制备或数据分析的影响可能会抵消结晶XRD数据表明，植物来源的纤维素纳米晶可达到约90%的极限结晶度。相比之下，核磁共振研究菌纤维素纳米晶和被囊类动物纤维素纳米晶的结晶度都比较高[79,2]。核磁共振将包括表面糖作为非晶态贡献的一部分，由于小颗粒比大颗粒表面原子所占比例更大，可预期纤维素纳米晶的XRD和NMR的检测结果差异会比大尺寸纤维素纤维的更大。高XRD方法[94],结晶度都在60%～90%,但峰高法得到的结晶度没有明显的升高趋势。对于同一样给出的值为64%(见图6a)]。对于木质纤维素纳米晶，NMR给出的数值略高于XRDI24]。最后，利用过硫酸铵氧化棉花制备的羧基纤维素纳米晶(带有H+或Na+反离子)的结晶度为85%,而通过FTIR测量的侧向有序指数的数值较低，仅为63%[50]。表2从各种纤维素原料生产的纤维素纳米晶的结晶度和晶粒尺寸纤维素原料生产方法方法(分析)结晶度/%晶体尺寸/nm参考文献木浆硫酸⁶XRD(DC,PH)68.9,80.75.8～8.3XRD(DC,PH)89.1,84.6木浆硫酸XRD(DC)3.4,4.3,4.5°盐酸XRD(DC)4.1,4.2,5.0表2从各种纤维素原料生产的纤维素纳米晶的结晶度和晶粒尺寸(续)纤维素原料生产方法方法(分析)°结晶度/%晶体尺寸/nm参考文献木浆硫酸剑麻纤维硫酸苎麻硫酸棉花硫酸棉花硫酸—稻草硫酸细菌硫酸硫酸~60木浆硫酸木浆硫酸木浆硫酸 细菌纤维素硫酸被囊类动物硫酸 棉花过硫酸铵MCC,微晶纤维素·过硫酸铵分析方法：对于X射线衍射，DC=去卷积，PH=峰高(结晶度随测量方法、仪器和分析程序变化的讨论见6水解条件：25min,酸的质量分数为16%、45℃(第一行)和酸的质量分数为65%、45℃(第二行)。垂直于3个晶面的微晶尺寸。还研究了一些通过过硫酸铵氧化法从其他来源生产的纤维素纳米晶。纤维素纳米晶样品的含水量可能是某些应用中一个重要的考虑因素。例如，一些分析测试需要在分析前将纤维素纳米晶中的水分去除，残留的水分含量会影响样品的再分散性及其在储存期间的稳定常包括测量样品在烘箱干燥(约105℃)前后的质量；在其他挥发性成分也可能导致损失的情况下，样品宜在干燥器中进行干燥。纤维素纳米晶可能含有其他的微量成分，这些成分存在于可分离出它们的纤维素生物质中，包括各种多糖，如半纤维素、在纤维素纳米晶的制备过程中尚未完全去除的无定形纤维素，以及在木质纤维源纤维素纳米晶中组成植物细胞壁重要部分的木质素等。在分离纤维素纳米晶的过程中，有时会引入污染物(如酸水解或氧化产生而未能通过透析去除的残留盐类及残留小分子，如脂肪酸或萜类)。残留的金属离子，或为初始纤维素生物质中的杂质，或是在分离纤维素纳米晶过程中引入的。若可检测到，通常都是少量的。由于即使是微量的杂质也会影响一些纤维素纳米晶中提供了其典型的检测程序。需要注意的是，可能需量化和/或去除用于促进纤维素纳米晶分散的添加采用几种标准方法量化纸浆、纸张和纸板样品的碳水化合物含量及木质素含量。尽管这些方法在某些情况下，其检出限与纤维素纳米晶中痕量的特定成分不能匹配，但易适用于纤维素纳米晶样品[m]。对于残留的多糖，可先水解纤维素样品，然后利用气-液色谱法(GLC)98或高效阴离子交换色谱法(AEC)[9]分离及定量各种单糖，测试时使用各种单糖的标准样品对该方法进行校准。使用标准方法测定木质纤维素纳米晶中木质素含量，适用的木质素含量范围在0.3%～3%[1oo]。对于存在于初始纤维素材料中且在纤维素纳米晶纯化过程中未被去除的小分子，或在纤维素纳米晶储存和处理过程中生成前后的样品重量变化，可进行重量测定。二氯甲烷用于去除极性较低的化合物，乙醇(或丙酮)用于去除纤维素纳米晶中残留的金属离子会对健康和环境构成潜在的风险，并可能干扰其他测试或材料的某些应用/最终用途。通过微波辅助的混合酸消解法完全溶解样品后，可用ICP-MS定量分析金属杂质。测定铬和铁含量时，宜使用中等分辨率模式的扇形场质谱仪(分辨率约4000)或配备碰撞池或动态反应池的质谱仪，以消除样品或等离子体中其他成分产生的潜在干扰。样品的微波消解与标准加入法的校准参照6.2.1中描述的ICP-OES测定总硫含量的方法。虽然标准加入法常用于痕量元素的测定，但是显著的信号漂移会降低最终结果的准确性。带反同于标准物质的定值[102]。一旦在添加的加标和分析物之间实现同位素平衡，这种方法就可对样品中的分析物进行精确定量，从而补偿样品操作过程中分析物的损失和样品基质中存在元素对离子灵敏度的ICP-MS或ICP-OES也可用于定量分析纤维素纳米晶样品中残留盐类，如酸水解或氧化制备样品时残留的硫酸钠。在透析前后检测的Na-CNCs样品中钠和/或硫含量之间的差异可指示未纯化样品中游离盐的含量(见参考文献[38])。利用X射线光电子能谱(XPS)法相同[107],通过测量从一束X射线照射的表面逸出电子的动能和数量获得XPS谱图。虽然XPS是一种表面分析方法[108],但其穿透深度(通常小于或等于10nm)与单个纤维素纳米晶的宽度尺寸相似。利用XPS估算各种元素基质中痕量元素检出限的方法，为评估可检出的杂质水平提供了实用指导[109]。C₂——葡萄糖环中的C-O-C;C₃——葡萄糖环中的O-C-O。图7通过去卷积分离脂肪族碳(C₁,杂质)、C-O-C(C₂)和O-C-O(C₃)峰后的硫酸水解制备的棉花纤维素纳米晶的XPS谱利用碳1s和氧1s峰的低分辨率XPS测量纯纤维素的碳氧原子比1.2的偏离情况。更详细的分析可通过～285eV的高分辨率C₁s能谱的去卷积来获得，如图7所示，由于键合方式不同，碳可分成4个成分峰：C₁为脂肪族碳(C-C),C₂为葡萄糖环中的C-O-C或C-OH,C₃为葡萄糖环中的O-C-O,C₄为聚合物链中的酯(O-C=O)。脂肪族sp³碳(C-C/C-H)的存在为非纤维素杂质提供了证据，因为纤维素有3个键合碳的存在表明存在带有羧酸基团的残余细胞壁多糖[47,105],通过乙醇萃取可去除多糖杂质[105]。如高分辨率能谱显示存在脂肪族碳，但纤维素碳和氧之间的原子比为1.2,与纯纤维素的值一致，则表明在储存或运输过程中存在意外污染，而不仅仅是残留的多糖[93]。除了应用于检测杂质及提供表面官能团(如羧酸盐或硫酸半酯，见6.4)的定性信息外，通过检测氮原子或C/O的比率变化，XPS还经常用于分析表面改性的纤维素纳米晶(见参考文献[20][47][48][92][110])。XPS也被用于7纤维素纳米晶形貌7.1显微镜得到的长度和宽度分布单个纤维素纳米晶的形状和尺寸可通过成像方法评估，如SEM、TEM和AFM。这些方法被用来分散良好的颗粒获得的信息最为可靠。因此提供样品制备的细节至关重要，包括从干燥样品开始时的分散步骤。EM和AFM都经常检测到团聚/聚集的颗粒，这种团聚/聚集现象可能是由样品制备方法造成的，不一定反映团聚物在初始样品中的分布情况[112114。以下描述了EM和AFM的基本方法、样品制备与图像分析的注意事项，以及纤维素纳米晶的代表性数据。7.1.2电子显微镜EM使用聚焦电子束来观察样品并测量其形态和/或组成。在SEM中，基于收集厚样品表面的二次或背向散射电子形成图像。在TEM中，收集透射过薄样品的电子来形成图像，这导致了3D颗粒的2D投影，可确定颗粒的长度和宽度，但不能确定它们的高度。电子显微镜通常在高真空下表征干燥样品，含有重原子的样品有更高的对比度。扫描电镜的分辨率在几个纳米量级上，因此，它对测量单个纤维素纳米晶的宽度的作用有限；在某些情况下，EM用于纤维素纳米晶形态的定性检测和在干燥纤维素纳米晶中发现的大团聚体的特征分析[49.57.112114]。场发射扫描电子度分辨率的透射电镜是获得纤维素纳米晶长度和宽度分布的首选方法。将纤维素纳米晶悬浮液稀释至质量与体积比约为0.01%制备用于TEM表征的样品。取少量(5μL～10μL)悬浮液置于EM栅网上，静置几分钟，然后吸除多余液体，用去离子水洗涤几次。尽管使用带正电的微栅有利于带负电的纤维素纳米晶的固定化，但最常使用碳涂层铜网。亲水氧化硅涂层的栅网比方华模(聚乙烯醇缩甲醛)或碳膜涂层的栅网能更好地分散纤维素纳米晶，而且pH为3.5时下，通过乙酸铀负染色来提高对比度。在严格控制成像条件情况下，有可能获得质量足够好的TEM图像，以定量表征未染色的纤维素纳米晶的尺寸分布[112]。将EM网格浸泡在乙酸铀水溶液(质量与体积比为0.5%～2%)中进行染色，然后用水清洗，或者在栅网中加入少量的染色溶液，等待1min~2min,染色样品。样品在清洁、无尘的环境下进行干燥，注意不要扭曲或破坏涂层。使用类似的栅网和使用配备CCD相机、工作电压≤200kV的TEM[3,5]或工作电压在2kV～15kV的FE-SEM对大多数纤维素纳米晶进行高分辨率成像等EM表征。使用已知尺寸的标准样品，如聚苯乙烯球、胶体金或校准光栅对电镜进行校准。宜使用经过认证的校准标准。使用具有周期性结构的标准物质校准TEM图放大倍数的方法见ISO29301[17]。电镜宜按照制造商的建议仔细对焦，以获得准确的颗粒尺寸，并对高分辨率成像进行优化。将样品安装在电镜室后，测量样品不同区域的几个大视场图，以检查样品质量。具有大量单个颗粒和少数团聚体的样品是理想的，可能需要对样品制备条件进行一些优化(如更换栅网类型，适当稀释、静置和洗涤初始纤维素纳米晶悬浮液等)。测量样品的多个较小视场图(通常小于或等于1μm×1μm),对颗粒尺寸进行统计分析。放大倍数和相机像素大小的组合宜是匹配的，以确保单个纤维素纳米晶以足够的像素进行成像，同时最大限度地增加每张图的颗粒数量。图记录时间宜足够长，以便提供足够的背景信号，同时最大限度减少载物台漂移和样品损坏。记录足够数量的图，至少包含约1000个单独的纤维素纳米晶。图8给出了用乙酸铀染色所得的代表性样品TEM图，图中可看到单个和聚集的纤维素纳米晶。数据分析得出平均长度为76nm,平均宽度为5.0nm,标准偏差分别为32nm和1.7nm。长度/nmb)宽度/nm图8由木浆生产的纤维素纳米晶的透射电子显微镜图a),分析约1500个纤维素纳米晶得到的长度分布直方图b)和宽度分布直方图c)通过连接到灵活悬臂上的锋利的针尖在样品表面进行AFM扫描工作。当悬臂扫描表面时，保持悬臂的恒定偏转或振荡幅度所需的运动，以用于构建三维图像。AFM同时提供横向尺寸和颗粒高度。AFM的横向分辨率受限于针尖与样品几何形状，导致在测量尺寸近似或小于针尖的形貌时，会出现针尖展宽效应。颗粒高度不受针尖卷积效应的影响，可准确测量。用AFM测量的单个纤维素纳米晶的表观宽度远远大于实际宽度，特别是对于较小的纤维素纳米晶，如木浆制备的纤维素纳米晶。对于曲率半径为10nm的锥体针尖，成像直径为5nm的圆柱形，测量的宽度约为15nm。该近似值计算见公式(2)[118]W=2[r(r+2R)]…………(2)W——测量宽度；r——特征半径；R——针尖曲率半径。对于长度大于100nm的棒状纤维素纳米晶，其针尖展宽效应相对于颗粒长度来说是很小的(小于10%,取决于颗粒的长度和高度、针尖尺寸和相对于纤维素纳米晶颗粒长轴的扫描方向)。校正针尖卷积效应需要测量针尖尺寸，可通过作为参考样品的10nm(平均直径)金纳米颗粒与纤维素纳米晶共沉AFM的样品制备与EM类似，即在固体表面上沉积稀释的水相纤维素纳米晶悬浮液[5,913]。云母是最广泛使用的支持物，因为它的大面积表面粗糙度很低且干净，这个表面是在使用前刚切割的几层表面产生的。使用带正电的表面，如聚赖氨酸涂层云母，具有对带负电的纤维素纳米晶可重复固定的优然后用去离子水洗涤并干燥，可制备出带正电的均匀表面。将稀释的纤维素纳米晶水悬浮液(稀释倍数和用量随使用的表面而不同)于表面孵化数分钟，浸泡在水中以去除未附着的物质，并在氮气流或清洁环境中(如氮气吹扫过的箱子)干减少纤维素纳米晶团聚。纤维素纳米晶也可在水环境中成像[120]。尽管这对某些应用来说可能是有利的，但对未修饰的纤维素纳米晶的形貌常规评估来说，它并没有提供特别的优势。纤维素纳米晶形貌的成像要求AFM能进行纳米颗粒的测量。接触模式已广泛用于定性测量，采用间歇接触模式操作(通常称为敲击模式)可用来减少单个颗粒在针尖上的移动。宜采用曲率半径小于或等于10nm的探针，以减少针尖形貌卷积。施加的力宜最小，扫描速率和增益宜优化，以便对小的、量颗粒的高度。通过测试这几个作用力来验证这一点是很重要的。AFM扫描仪宜通过测量标准校准栅格进行校准(x、y和z刻度);z阶高度宜与要测量的颗粒的高度相当。详细的指南见参考文献[122]典型的AFM图像见图9。大的扫描区域(5μm×5μm或10μm×10μm)提供了对纤维素纳米晶样品整体形貌与分布的评估。有些AFM配有光学显微镜，可用来帮助确定适合AFM扫描的样品区域。单个颗粒的详细尺寸需要对1μm×1μm或更小的图像进行分析。对于具有典型512点/线扫描分辨率的仪器，1μm×1μm图像对应约2nm/像素。所需的图像数量取决于颗粒分布和分析所需的单个颗粒的数量。3个样品中300个纤维素纳米晶的长度(见图9d)]和高度[见图9e]]的直方图，给出的平均值分别为5.0nm±1.6nm和109nm±46nm。在分析之前，通常需要对图像进行平滑处理以去除00000a)图9从木浆中提取的纤维素纳米晶的AFM图a)、b),一根纤维素纳米晶的截面c),分析300个颗粒得到的长度的直方图d)和高度的直方图e)高度/nm高度/nm长度/nm图9从木浆中提取的纤维素纳米晶的AFM高度/nm图a)、b),一根纤维素纳米晶的截面c),分析300个颗粒得到的长度的直方图d)和高度的直方图e)(续)纤维素纳米晶的尺寸分布比某些合成纳米材料(如金纳米颗粒)更宽，通过测量大量的单个颗粒来构建粒度分布直方图。图像和粒度分析以及显微镜取样方法见ISO9276-6和ISO使用显微镜测试样本中非常小的一部分时，为确保抽样具有统计学代表性，宜将原始样本分开，至少测量3个独立的部分[17,18]。确保代表性取样的附加指南见ISO14488[129]。从纳米材料的显微镜研究中分析单个颗粒的尺寸所需时间经常远比数据采集所需时间长，这是通过显微镜获得基于大量颗粒的尺寸分布的一个重要限制。可使用开源软件来实现分析程序自动化，通过对图像进行阈值处理以确定分析的颗粒，同时排除团聚的颗粒来完成。这种方法要求图像背景均匀，且样品没有污染。与图像分析相关的另一个主要问题是经常出现团聚颗粒，这些颗粒可能存在于最初的悬浮液中，也可能在样品沉积在表面时形成。虽然最好将分析限制在单个(非重叠)的纤维素纳米晶，但排除大量团聚颗粒会增加所需图像的数量，并增加取样代表性不足的风险。在实际应用中，只有明确界定了单个颗粒边缘时，才能对相邻颗粒进行分析。但对“可分析”颗粒的选择，会将用户的观点引入到分析过程中。在分析纤维素纳米晶的高度或宽度时，宽度可能沿纳米晶体的长度方向变化(见图9b)和图9c)]。在分析单个颗粒时宜采用系统的方法(例如，根据宽度或高度报告最大横截面)。报告纤维素纳米晶尺寸数据的一种方法是绘制直方图，说明长度、宽度和/或高度的分布；通常提供平均值(数学平均值)和标准差(作为分布宽度的衡量标准),长径比由平均长度和宽度(或高度)计算得出。计算直方图数据的平均尺寸和尺寸分布标准偏差的程序总结见ASTME2578-07[130]。考虑到上述图像分析建议，提供有关分析的颗粒数量，以及处理团聚纤维素纳米晶程序的信息非常重要。木浆CNC样品的TEM(n=1500)和AFM(n=300)数据的代表性直方图见图8和图9。对于大多数已测量相对大量颗粒的情况，直方图可通过对数正态分布函数进行充分拟合。TEM和AFM已经广泛用于测量各种纤维素来源纤维素纳米晶的长度和宽度/高度。通常基于对有限数量的图像/颗粒进行数据分析，并提供平均尺寸或尺寸范围。这些(定性)数据的总结见参考文献纤维素纳米晶的尺寸分析见表3和参考文献[2][8]。首先，纤维素纳米晶呈现出不同形态的纳米棒，其尺寸因纤维素原料和制备过程的不同而有很大差异。木浆纤维素纳米晶的平均截面为4nm~9nm,平均长度为100nm～200nm。其他植物，如剑麻和苎麻，也有类似的尺寸，但棉花的纤维素纳米晶通常具有明显更大的宽度。细菌和被囊类动物制备的纤维素纳米晶要大得多，其平均宽度小于或等于50nm或在10nm～20nm,平均长度小于或等于1μm或在1μm～3μm。生产工艺对纤维素纳米晶尺寸的影响见参考文献[21][22][23][24][26]。利用AFM测量约300个单独的针叶树材纸浆纤维素纳米晶[2I]的长度和高度，作为水解时间和酸/浆比的函数。纤维素纳米晶的平均长度105nm~越小。对于棉花纤维素纳米晶，高温水解会使纤维长度减少[22],颗粒的长度和宽度是相关的，越长的颗粒越宽，这可能对通过光散射获得的尺寸数据建模有影响(见6.2)。尽管干燥方法确实会影响样品的分散性[20,但对木材纤维素纳米晶的尺寸影响不大[23]。最后，表面羧基化木浆纤维素纳米晶的尺寸与表通过对单个图像进行定性观察及对分布标准差的量化分析发现的第二个规律是，纤维素纳米晶的尺寸分布很宽。植物纤维素纳米晶的长度和宽度的通常标准差分别为30nm～70nm及大于1.5nm,见表3。这与使用动态光散射的整体测量是一致的，是多分散粒度分布(见7.2)。宽分布意味着区分具有相似尺寸分布的纤维素纳米晶群体是很有挑战性的。与宽度/高度相比，长度的尺寸分布更宽(标准偏差通常大于或等于平均长度的40%,但是平均截面的比例较小，见表3)第三个观察结果是，颗粒的团聚是一个重要的问题，可通过样品稀释和/或超声处理纤维素纳米晶固定化的带电表面或栅网来最大限度地减少(但绝不会消除)这种现象。通过仔细对比颗粒计数法与光散射等集合测量方法，有助于将样品沉积过程中形成的团聚体与样品本身存在的团聚体区分开。虽然最好只分析单独的纤维素纳米晶，但这将导致排除大量(和可变数量)的接触颗粒。这有一个实际的限制，即需要更多的图像来达到所需的颗粒数。若团聚取决于颗粒的大小，这可能是一个更严重的问题，例如，若大颗粒有更大的团聚倾向，基于单独的纤维素纳米晶的粒径分布将向较小的颗粒倾斜。目前这一因素尚未得到解决。第四个观察结果是纤维素纳米晶颗粒形状不规则，从TEM图像中可明显看出。在TEM图像在高分辨率原子力显微镜图像中也很明显，这表明颗粒的高度沿颗粒长轴变化可达数纳米(图9,见参考文献[22][73][113][131][132])。这可能是由于在水解过程中，晶体之间的非晶态区域不完全水解或去除了单个结晶区域的一部分。酸水解提取的纤维素纳米晶通常由几种单一元素微晶组成[2,22]。这与XRD测量结果一致，该测量结果估计平均颗粒长度约为20nm,是显微镜测量的木浆纤维素纳米晶的平均长度的1/5以下[2]。从XRD估计的宽度为3nm～5nm,与显微镜得到的宽度相似。表3从各种纤维素原料和提取方法得到的纤维素纳米晶的尺寸单位为纳米纤维素原料生产方法方法的条件平均长度(标准偏差)平均截面(标准偏差)N⁴参考文献木浆(黑云杉)25min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接触5~320木浆(黑云杉)45℃,64%H₂SO₄,45min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接触~325木浆(黑云杉)25min,A/P=17.5AFM,PLL-云母，接触~270木浆64%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM6.4(h)7.8(w)°针叶木硫酸盐浆25min,2%一致性；不干燥AFM,钛合金涂层硅，63(53)针叶木硫酸盐浆25min,2%一致性；AFM,钛合金涂层硅，53(31)漂白针叶木硫酸盐浆FE-SEM,+栅网，UA(极限分辨率)针叶木硫酸盐浆70℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM5.0(1.6)针叶木硫酸盐浆TEM,C-C栅网，UA76(32)5.0(1.7)木浆H₂SO₄,45℃,TEM,C-C栅网211(70)8.8(5.5)TEM,钛合金涂层硅5.2(1.6)TEM,C-C栅网，UA248(72)9.1(3.2)桉木硫酸盐浆40minTEM,C-C栅网，UA510,623木浆64%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM5.9(1.8)~400细菌纤维素AFM,PLL-云母，TM~430被囊动物48%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM9.4(5.0)棉短绒AFM,PLL-云母，TM27(52)*冷冻-TEM表3从各种纤维素原料和提取方法得到的纤维素纳米晶的尺寸(续)单位为纳米纤维素原料生产方法方法的条件平均长度(标准偏差)平均截面(标准偏差)Nd参考文献棉短绒72℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM21(52)微晶纤维素(木浆)AFM,PLL-云母，TM微晶纤维素(棉花)AFM,钛合金涂层硅，246(128)5.9(2.3)棉纤维AFM,钛合金涂层硅，苎麻纤维FE-SEM,+栅网，UA6.5(0.7)—剑麻纤维AFM,PLL-云母，TM5.0(1.5)——剑麻纤维40minTEM,C-C栅网，UA215(67)5.0(1.5)425,2015木浆过硫酸铵TEM,C-C栅网，UA6.0(1.7)200,253木浆过硫酸铵AFM,PLL-云母，TM6.9(3)’A/P是酸浆比。”PLL-云母是聚赖氨酸涂层云母；TM=轻敲模式；UA=醋酸双氧铀染色；C-C栅网，碳膜铜网。除非另有说明，否则AFM测量高度、EM测量宽度。只列出参考文献中有的标准偏差。参考文献中根据直方图估计的N值表示为“～”。去卷积后使用金纳米球测量针尖尺寸。自动化分析。“AFM测量的高度为7.3nm。纤维素纳米晶的宽度并不总是等于高度的，这一点在长的、高长径比的被囊型纤维素纳米晶上表现很明显，它具有螺旋扭曲的带状结构[22]。利用原子力显微镜、TEM和低温TEM测量从棉花和木浆中提取的纤维素纳米晶，获得的长度和宽度也有差异，大多数纤维素纳米晶是由多个微晶通过侧向连接组成[22]。若纤维素纳米晶的宽度较小，很可能测量的是单个晶体，而不是横向结合的晶体。根据预测的木浆晶体结构，预计在3nm～5nm范围内会出现宽度等于高度的方形截面，这与大多数EM和AFM数据一致。若观察到宽度比平均高度大1.4nm,表明短轴长度不均等[19]。但是，宽度是通过AFM数据的去卷积算法确定的，这可能在测量中引入额外的误差。表3中数据量最大的是木浆纤维素纳米晶，在大多数情况下，来自不同实验室的数据基本一致。除了少数例外，截面约为5nm,长度80nm～140nm。其他植物来源的纤维素纳米晶，如剑麻和苎麻，具有类似的尺寸。按照标准的数据采集和分析协议，不同实验室用不同的方法制备和测量的纤维素纳米GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016晶结果一致。使用AFM、FE-SEM和TEM对从微晶纤维素中分离出来的纤维素纳米晶进行表征，三种方法定性分析一致，但没有进行定量分析[13]。使用EM和AFM对不同实验室制备的样品进行表征，两种方法都给出了5nm的平均宽度，但平均长度却相差30nmL。AFM和TEM可提供互补的信息，因为TEM提供颗粒宽度，而AFM提供颗粒高度。由于针尖变宽的影响，最好只使用AFM获得高度测量，而使用EM来测量纤维素纳米晶的宽度和长度。然而，在大多数情况，EM测量纤维素纳米晶时，用于增强对比度的样品染色可能会增加颗粒的团聚[22·112]。显微镜技术的选择通常取决于成本和可用性。AFM可很容易地与力学结合来获得机械性能，或与光学(荧光、拉曼)显微镜相结合，集成于一个显微镜平台对同一样品区域进行相关测量。尽管这些材料不在本文件范围之内，但这些方法对于化学改性纤维素纳米晶和含有纤维素纳米晶的复合材料表征很有价值。7.2动态光散射测量粒度动态光散射(DLS)测量的是悬浮在液体中进行布朗运动的颗粒的散射光强度随时间变化的波动。这些强度波动与颗粒在溶剂中的扩散速度直接相关，可用来确定平动扩散系数，该系数与颗粒大小成正比，进而确定颗粒的流体力学直径。对于非球形颗粒，可得到等效的流体力学直径，等效于一个刚性球体的直径，其扩散速度与分析物颗粒相同。DLS是一种集合方法(与显微镜中使用的颗粒计数方法相比，7.1),同时分析大量颗粒来计算粒度。与EM或AFM相比，它是一种更简单、更经济和使用更广泛的方法，易用于质量控制和常规测量。然而，通过DLS估计的溶解颗粒的重均等效流体力学直径d₁,几乎总是与用显微镜方法测量的直径不同。对于球形颗粒来说，这些差异主要是由于双电层造成的，而对于其他形状的颗粒，如纳米棒，则情况更加复杂。用DLS测量纳米颗粒的粒度分布是很成熟的，测量方法和数据分析见标准和协议中的描述[13+136]对于纤维素纳米晶，典型做法是将样品用5mmol/L～10mmol/L的NaCl溶液稀释到0.05%的质量分数。使用较低的NaCl浓度可防止胶凝或团聚现象。重要的是要避免样品、试管或NaCl溶液的污染(例如灰尘颗粒),因为较大颗粒的散射强度大得多；检测前，宜过滤悬浮液以去除这些颗粒。散射强度与r°成正比(r是散射颗粒的半径),这意味着100nm颗粒的散射强度将比10nm颗粒的散射强度大一百万倍。通常情况下，对每个样品宜至少进行3次测量(每个测量值都是几个读数的平均值，具体数值通常由仪器数据采集软件自动选择),并宜测量一个等效的空白样品(不含纤维素纳米晶),以检查背景散射。将原始数据(光散射强度波动)绘制成一个相关函数，从中得到平动扩散系数D,。也可使用累积量分析方法，将数据拟合为多项式，以获得D,[1aJ。然后用斯托克斯-爱因斯坦(StokesEinstein),即公式(3)计算平均流体动力直径d₁:式中：k——玻尔兹曼常数；T——热力学温度，单位为开尔文(K);η——介质的黏度。该计算扩散系数的方法需要精确的温度值(通常由仪器软件提供)、悬浮颗粒的液体(如5mmol/LNaCl溶液)的黏度和折射率。相关函数的拟合还提供了多分散性指数PI,这是粒度分布宽度的无量纲测量值[134]。对于单一高斯分布，PI由公式(4)定义：PI=σ²/d'……(4)式中：o——标准偏差；d₁——平均粒径(用等效流体力学直径表示)。体积/%体积/%注意，使用Cumulants方法拟合只给出了重均值和PI,而不是实际的粒径分布。DLS提供的重均分布与颗粒计数方法得到的数均分布不同。纤维素纳