TEMPO氧化法制備五節芒纖維素納米纖絲及其懸浮液穩定性和流變行為表征

李秀雯，姜學泓，王靜芳，李　強，錢　俊，吳　強，王思群（.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 00；2.浙江農林大學 浙江省木材科學與技術重點實驗室，浙江 臨安00；.美國田納西大學 可再生碳材料中心，諾克斯維爾 7996）

TEMPO氧化法制備五節芒纖維素納米纖絲及其懸浮液穩定性和流變行為表征

李秀雯1，2，姜學泓1，王靜芳1，李強1，錢俊1，2，吳強1，2，王思群3
（1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2.浙江農林大學 浙江省木材科學與技術重點實驗室，浙江 臨安311300；3.美國田納西大學 可再生碳材料中心，諾克斯維爾 37996）

五節芒Miscanthus floridulus的纖維素含量高。為高效利用五節芒，采用2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化處理五節芒纖維素，再通過高壓均質制備了五節芒纖維素納米纖絲（CNF）。透射電鏡（TEM）觀察發現，五節芒纖維素納米纖絲為纖維狀結構，直徑為（10.0±2.3）nm，長度在微米級，表面羧基質量摩爾濃度為1.98 mmol·g－1；Zeta電位結果表明：五節芒纖維素納米纖絲懸浮液具有極好的儲存穩定性。穩態流變測試表明：纖維素納米纖絲懸浮液隨著固含量提高，黏度升高，剪切變稀行為增強；動態流變測試表明，由于五節芒纖維素納米纖絲的高長徑比，其懸浮液在固含量為0.56%時，即表現出明顯的凝膠行為；Cox-Merz規則在纖維素納米纖絲固含量較低時適用，而當纖維素納米纖絲固含量為0.56%時不適用。圖7參10

林業工程；五節芒；纖維素納米纖絲；TEMPO氧化；高壓均質；流變行為

納米纖維素由于高強度、高模量、高比表面積、可生物降解及生物相容性好等優點，被廣泛應用于增強復合材料、吸附材料、過濾材料、生物醫藥材料等領域，是近年來纖維素領域的研究熱點［1］。納米纖維素主要包括纖維素納米纖絲（cellulose nano-fibril，CNF）和纖維素納米晶體（cellulose nano-crystal，CNC）。CNF主要通過高速剪切力和摩擦力將纖維素分子脹化、分離成直徑為納米級、長度為微米級的微纖絲束，主要加工設備有高壓均質機、高速研磨機和微射流分散儀；CNC主要通過硫酸酸解制得，是一種長徑比為10～30左右的棒狀纖維素晶體［2-3］。與CNC相比，CNF有更高的長徑比，且更適于產業化。在高剪切力加工制備CNF之前，通常會對纖維素進行預處理，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化預處理是一種主要的預處理方法［4］。通過TEMPO預氧化，再采用高剪切處理，可制備長徑比高、晶體結構破壞小且在水中分布均勻的CNF。根據原材料和制備工藝的差異，制得CNF的形態也不盡相同。SAITO等［5］研究了松樹Pinus spp.木漿、棉花Gossypium spp.和細菌纖維素通過TEMPO預處理制備的CNF。在相同的制備工藝下，松樹木漿CNF的直徑為3～5 nm，棉花CNF的直徑約為10 nm，而細菌纖維素CNF的直徑則達到了20 nm左右。五節芒Miscanthus floridulus是常見的野外群生禾本科Gramineae植物，資源豐富，纖維素質量分數高（47.9%）［6］，可作為納米纖維素的原材料，作者曾研究五節芒CNC的制備工藝［6］，但目前對五節芒CNF的制備及性能研究未見報道，因此，本研究以五節芒纖維素為原料，先通過TEMPO對其進行氧化處理，再采用高壓均質來制備五節芒CNF，并表征了五節芒CNF的形態、表面羧基含量及其懸浮液的穩定性和流變行為，以期為五節芒CNF的制備及應用提供理論基礎。

1　實驗部分

1.1實驗原料和設備

TEMPO，質量分數為98%，阿拉丁試劑公司；次氯酸鈉（NaClO），質量分數為74.44%，北京百靈威科技有限公司；溴化鈉（NaBr），分析純，華藍化學有限公司；氫氧化鈉（NaOH），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸（HCl），分析純，阿拉丁試劑公司；氯化鈉（NaCl），分析純，南京化學試劑有限公司；五節芒纖維素，自制［6］。高壓均質機，AH-BASIC，ATS工業系統（上海）有限公司；Zeta電位及粒度分析儀，ZetaPALS，美國Brookhaven公司；應變控制型旋轉流變儀，ARES-G2，美國TA公司；pH計，CT-6021A，深圳市柯迪達電子有限公司。

1.2纖維素納米纖絲的制備

1.2.1五節芒纖維素制備將五節芒粉末用蒸餾水浸泡，在70℃恒溫下用磁力攪拌器攪拌，待它們變為黃色后用去離子水洗滌抽濾，除去水溶性雜質；再將所得固體與0.90 mol·L－1的氫氧化鉀（KOH）溶液混合，在水浴中加熱至90℃攪拌反應4 h，除去半纖維素，用大量去離子水洗至中性進行抽濾，得到黃色絮狀物；之后，再將黃色絮狀物用無水乙醇浸沒，磁力攪拌4 h，除去蠟層，以利于抽濾，抽濾產物浸入0.15 mol·L－1亞氯酸鈉溶液，用醋酸調節到pH 3～4，在70℃水浴下攪拌5 h，抽濾，用去離子水洗至中性得到白色固體，烘干可得五節芒纖維素［6］。

1.2.2TEMPO氧化預處理稱取一定量五節芒纖維素置于蒸餾水中浸泡2 d，攪碎，加入TEMPO與溴化鈉混合，至TEMPO完全溶解（紅色消失），再將次氯酸鈉加入上述懸浮液，開始氧化反應，懸浮液初始pH值為11～12，隨著反應時間增加，pH值逐漸降低，為保持最佳反應速率，通過滴加0.5 mol·L－1氫氧化鈉溶液以保持懸浮液pH值為pH 10，當pH值不再下降，反應結束。將TEMPO處理好的纖維素懸浮液抽濾多次（3～5次）至中性，再把中性的纖維素懸浮液稀釋到約為5.0 g·kg-1，用于高壓均質。

1.2.3高壓均質采用高壓均質機對五節芒纖維素懸浮液進行處理，控制壓力105kPa左右，循環均質3次，即得到透明果凍狀膠體，裝瓶后經超聲波清洗機超聲5 min除去氣泡，可用于性能表征。

1.3性能表征

1.3.1CNF懸浮液初始固含量測定CNF懸浮液原液的固含量是用于測定CNF羧基含量和控制CNF懸浮液固含量的基本參數，需要精確表征。取一定量的五節芒CNF懸浮液加入錫紙杯中（錫紙質量m0，g），稱量，記為m1，g；放入烘箱中于105℃下烘干至恒量，取出后用分析天平稱量，記為m2，g。則此CNF懸浮液的固含量（w，%）為：w=（m2-m0）/（m1-m0）×100%。通過3次測定取平均值，得到五節芒CNF懸浮液原液的固含量為0.33%。

1.3.2五節芒CNF表面羧基含量測定CNF的表面羧基含量是其主要性能參數。在三口燒瓶中加入10 g CNF懸浮液原液、20 mL 0.01 mol·L-1氯化氫溶液及80 mL 0.001 mol·L-1氯化鈉溶液，攪拌均勻，用0.01 mol·L-1氫氧化鈉溶液進行滴定，滴定溫度為25℃，記錄每次滴定氫氧化鈉溶液的量和對應的電導率，作圖計算可得CNF表面的羧基含量。

1.3.3透射電鏡（TEM）觀察用滴管取待測CNF懸浮液（固含量約為0.01%），滴1滴在電鏡銅網上，用醋酸雙氧鈾染色，干燥2 min，為電鏡觀察用的樣品，隨后用TEM進行觀察。

1.3.4Zeta電位測試采用ZetaPALS的Zeta電位測試模式表征CNF懸浮液的Zeta電位，測試條件為25℃，測試5個循環，取平均值。

1.3.5流變行為表征采用旋轉流變儀進行流變測試，穩態流變測試：剪切速率范圍為10-1～103s-1；動態測試分為動態應變掃描和動態頻率掃描，動態應變掃描條件：在10 rad·s-1下，應變范圍0.1%～100%；動態頻率掃描條件：掃描頻率范圍0.1～100.0 rad·s-1，應變為10%（根據應變掃描結果，確保所有樣品的測試均在線性黏彈區域），測試溫度均為25℃。為獲得更寬固含量范圍CNF懸浮液的流變行為，通過旋轉蒸發儀，除去CNF懸浮液原液中的部分水分，得到較高固含量的CNF懸浮液，再通過烘箱干燥法得到固含量為0.56%。在該固含量下，CNF懸浮液表現出明顯的凝膠行為。

2　結果與討論

2.1透射電鏡（TEM）形貌觀察

圖1A為五節芒纖維素通過TEMPO氧化處理后高壓均質得到的五節芒CNF的透射電鏡照片，由圖可知，五節芒CNF為直徑在納米級的微細纖維，且CNF之間剝離較好。通過測量統計，可得其直徑為（10.0±2.3）nm，長度為微米級別，見圖1B，表明五節芒纖維素可通過TEMPO氧化與高壓均質成功制備CNF。圖1C和圖1D給出了相同處理工藝得到的棉花CNF和其直徑統計結果，棉花CNF的直徑為（11.1±2.6）nm，比較發現，五節芒CNF具有更小的直徑和更好的剝離程度。

2.2羧基含量的滴定

通過TEMPO氧化處理會使纖維素表面帶有羧基［2］。羧基在水中會電離成羧酸根負離子，有利于CNF在水中形成穩定的懸浮液，CNF表面羧基的含量決定著CNF制備的難易及在水相中的穩定性。表征CNF表面羧基主要通過氫氧化鈉標準溶液滴定［7］。圖2給出了CNF懸浮液電導率隨氫氧化鈉滴加量的變化曲線，可知，隨著氫氧化鈉滴加量的增加，CNF懸浮液電導率的變化分為3個階段。第1階段：CNF懸浮液電導率呈線性下降；第2階段：當氫氧化鈉滴加量達到19.6 mL時，CNF懸浮液電導率變化緩慢，出現平臺區；第3階段：當氫氧化鈉滴加量達到24.2 mL時，CNF懸浮液電導率開始隨著氫氧化鈉滴加量的增加線性上升。這與文獻［7］報道一致，平臺區可用于計算CNF表面羧基含量，具體公式如下：σ=［c×（V2-V1）］/m。其中：σ為羧基含量，c為滴定的氫氧化鈉濃度，V1與V2為出現平臺的初始和結束時所對應氫氧化鈉溶液的體積，m為CNF質量 （可通過CNF懸浮液原液濃度換算）。由上式得到CNF表面羧基質量摩爾濃度為1.98 mmol·g-1，棉花CNF的表面羧基質量摩爾濃度為1.09 mmol·g-1，比五節芒CNF低，這也是棉花CNF較五節芒CNF剝離不夠徹底，直徑偏大的原因。

2.3Zeta電位測試

Zeta電位是表征膠體分散系穩定性的重要指標，一般認為Zeta電位絕對值大于30 mV，表明體系比較穩定。Zeta電位絕對值越大，體系越穩定。圖3給出了五節芒CNF懸浮液的Zeta電位隨CNF固含量的變化，由于CNF表面帶有羧酸根，五節芒CNF懸浮液的Zeta電位顯示為負值；所有濃度下，懸浮液Zeta電位的絕對值為55～65 mV，表明五節芒CNF懸浮液非常穩定；隨著CNF固含量的上升，Zeta電位絕對值略有下降，表明體系穩定性降低，這主要是體系中電荷濃度增加導致CNF表面電荷屏蔽引起的。OKITA等［8］通過TEMPO氧化法制備了不同纖維素原材料的CNF，在固含量為0.1%時，各CNF懸浮液的Zeta電位在－70 mV左右，與我們測得的結果非常接近。

圖1　CNF透射電鏡照片及其直徑統計結果Figure 1　TEM images and their diameter statistics of Miscanthus floridulus

2.4流變行為研究

圖2　五節芒CNF懸浮液的電導率滴定曲線Figure 2　Conductometric titration curves of Miscanthus floridulus CNF

圖3　不同固含量五節芒CNF懸浮液的Zeta電位Figure 3　Zeta potentials of Miscanthus floridulus CNF aqueous suspension as a function of CNF content

2.4.1穩態剪切行為圖4給出了五節芒CNF懸浮液在不同濃度下的穩態剪切黏度（ηa）與剪切速率的關系。由圖4可知，CNF懸浮液ηa隨著固含量增加而上升；當CNF固含量為0.17%時，CNF懸浮液在低剪切速率（小于0.2 s－1）時，表現出牛頓流體行為，當剪切速率大于0.2 s－1時，出現剪切變稀行為；固含量高于0.17%的CNF懸浮液，在給定剪切速率下，CNF懸浮液均表現出剪切變稀行為，且固含量越高，剪切變稀現象越明顯。這主要是由于CNF在懸浮液中存在著纏結，剪切會破壞纏結結構，使CNF懸浮液的黏度下降，表現出剪切變稀行為；固含量越高纏結密度越高，纏結結構所對應的松弛時間越短，破壞纏結所需的剪切速率越低，因此，CNF懸浮液固含量越高，表現出的剪切變稀行為越明顯。

2.4.2動態流變行為動態應變（γ）掃描既可考察體系的結構對外界刺激的響應程度，也可確定體系的線性黏彈區域。圖5給出了25℃，角頻率（ω）為10 rad·s－1時，不同濃度CNF懸浮液的儲能模量（G′）對γ的依賴性?？芍?，隨應變增加，G′開始保持不變，當應變大于10%左右時，G′開始下降，這是由于CNF結構被破壞所致，CNF的濃度越高，G′開始下降所對應的應變越小。在動態測試的濃度范圍內，為保證所有體系都處于線性黏彈區間，控制應變為10%。

圖4　25℃時，不同固含量五節芒CNF懸浮液的表觀黏度與剪切速率關系圖Figure 4　Apparent viscosity?。é莂）as a function of shear rates （γ.）for CNF aqueous suspensions with different Miscanthus floridulus CNF content at 25℃

圖5　不同濃度五節芒CNF懸浮液的應變掃描曲線Figure 5　Dependence of dynamic storage modulus（G′）on strain amplitude for different concentrations of Miscanthus floridulus CNF suspensions at 25℃and 10 rad·s－1

圖6分別給出了25℃，應變10%時，不同固含量五節芒CNF懸浮液的G′，損耗模量（G″）與ω的關系。由圖可以發現，隨著ω降低，G″和G′逐漸下降，在低頻率時G′，G″與ω的斜率與纖維素納米纖絲的固含量相關，CNF固含量越低，斜率越大，隨著CNF固含量上升，斜率逐漸變小，當固含量為0.56%時，G′與G″幾乎不隨ω變化，出現了平臺，表明體系在該固含量下已具有明顯的網絡結構，表現出凝膠形態。

圖6　25℃時不同濃度五節芒CNF懸浮液的儲能模量（A，G′）和損耗模量（B，G″）隨角頻率的變化Figure 6　Plots of（A）storage modulus?。℅′）and?。˙）loss modulus?。℅″）versus ω for Miscanthus floridulus CNF suspensions with different concentrations at 10%strain at 25℃

Cox-Merz規則認為，當穩態測試時的剪切速率等于動態測試時的角頻率時，表觀黏度（ηa）與動態復合黏度（η*）的絕對值大致相等［9］。Cox-Merz規則是一個將動態測試與穩態測試聯系起來的經驗規則，由于涉及到線性與非線性流體的性質，至今，還沒有研究者給出理論證明。如果體系的流變特性不符合Cox-Merz規則，則可能表明，體系中存在較強的長程相互作用，且分子間相互作用引起的熱焓變化要比簡單的拓撲纏結更重要。圖7給出了25℃，應變在10%時，不同固含量五節芒CNF懸浮液的動態復合黏度和穩態表觀黏度數據。由圖7可知，當CNF懸浮液的固含量為0.17%，0.25%和0.33%時，ηa與η*基本重合，表明體系符合Cox-Merz規則。而當CNF懸浮液固含量為0.56%時，ηa大于η*，Cox-Merz規則不適用，這與CNC懸浮液流變行為表現一致［10］，可能是隨著CNF固含量增加，體系中的長程作用增加導致的。

圖7　五節芒CNF懸浮液的Cox-Merz規則比較Figure 7　Cox-Merz rule comparisons of Miscanthus floridulus CNF（The open symbols represent the steady shear viscosity ηaand the solid symbols denote complex viscosity η*）

3　結論

五節芒可通過TEMPO預氧化結合高壓均質成功制得纖維素納米纖絲（CNF），其直徑為10.0±2.3 nm，長度達微米級，表面羧基質量摩爾濃度為1.98 mmol·g－1，較相同制備工藝得到的棉花CNF有更小的直徑和更好的剝離程度。五節芒CNF懸浮液具有很好的儲存穩定性，隨著固含量的增加，穩定性會略有下降。五節芒CNF懸浮液出現剪切變稀行為，濃度越高，剪切變稀行為越明顯；在CNF固含量為0.56%時，體系就出現了G′，G″平臺，表現出凝膠結構，Cox-Merz規則在該濃度失效。

［1］KLEMM D，KRAMER F，MORITZ S，et al.Nanocelluloses：a new family of nature-based materials［J］.Angew Chem，2011，50（24）：5438－5466.

［2］卿彥，蔡智勇，吳義強，等.纖維素納米纖絲研究進展［J］.林業科學，2012，48（7）：146－152. QING Yan，CAI Zhiyong，WU Yiqiang，et al.Study progress on cellulose nanofibril［J］.Sci Silv Sin，2012，48（7）：146－152.

［3］葉代勇.納米纖維素的制備［J］.化學進展，2007，19（10）：1568－1575. YE Daiyong.Preparation of nanocellulose［J］.Progr Chem，2007，19（10）：1568－1575.

［4］ISOGAI A，SAITO T，FUKUZUMI H.TEMPO-oxidized cellulose nanofibers［J］.Nanoscale，2011，3（1）：71－85.

［5］SAITO T，NISHIYAMA Y，PUTAUX J L，et al.Homogeneous suspensions of individualized microfibrils from TEMPO-catalyzed oxidation of native cellulose［J］.Biomacromolecules，2006，7（6）：1687－1691.

［6］陳宇飛，吳強，徐光密，等.五節芒納米纖維素晶體制備工藝的正交分析［J］.浙江農林大學學報，2014，31 （3）：399－403. CHEN Yufei，WU Qiang，XU Guangmi，et al.Orthogonal experiments and analysis on cellulose nano-crystals extracted from Miscanthus floridulus［J］.J Zhejiang A&F Univ，2014，31（3）：399－403.

［7］JIANG Feng，HSIEH Y L.Chemically and mechanically isolated nanocellulose and their self-assembled structures ［J］.Carbohydr Polym，2013，95（1）：32－40.

［8］OKITA Y，SAITO T，ISOGAI A.Entire surface oxidation of various cellulose microfibrils by TEMPO-Mediated Oxidation［J］.Biomacromolecules，2010，11（6）：1696－1700.

［9］COX W P，MERZ E H.Correlation of dynamic and steady flow viscosities［J］.J Polym Sci，1958，28（118）：619－622.

［10］WU Qiang，MENG Yujie，WANG Siqun，et al.Rheological behavior of cellulose nanocrystal suspension：Influence of concentration and aspect ratio［J］.J Appl Polym Sci，2014，131（15）：338－347.

Stabilization and rheological behavior of Miscanthus floridulus cellulose nanofibril prepared by TEMPO-mediated oxidation

LI Xiuwen1，2，JIANG Xuehong1，WANG Jingfang1，LI Qiang1，QIAN Jun1，2，WU Qiang1，2，WANG Siqun3
（1.School of Engineering，Zhejiang A&F University，Lin'an 311300，Zhejiang，China；2.Key Laboratory of Wood Science and Technology，Zhejiang A&F University，Lin'an 311300，Zhejiang，China；3.Center for Renewable Carbon，University of Tennessee，Knoxville，TN 37996，USA）

To better use the stalk of Miscanthus floridulus，a species of perennial grass with high cellulose content，a M.floridulus cellulose nanofibril（CNF）was prepared by 2，2，6，6-tetramethylpiperidine 1-oxyl（TEMPO）-mediated oxidation and successively isolated by high pressure homogenization.Analysis consisted of using a transmission electron microscopy（TEM），NaOH conductometric titration，zeta potential，steady and dynamic rheology tests，and the Cox-Merz rule.Results of TEM observations showed that M.floridulus CNF had a fibril structure（10.0±2.3）nm in diameter and several micrometers in length；its surface carboxyl content was 1.98 mmol·g-1measured by NaOH conductometric titration.Zeta potential results revealed that M.floridulus CNF suspensions were very stable.The steady rheology test found that M.floridulus CNF suspensions performed shear thinning behavior--the higher the CNF content，the higher the viscosity with a stronger shear thinning behavior.The dynamic rheology test showed that M.floridulus CNF suspensions exhibited a storage and loss modulus platform with low frequencies at a content of 0.56%，which indicated a gel structure had formed.Furthermore，the Cox-Merz rule applied in M.floridulus CNF suspensions at low CNF content but did not apply at CNF content of 0.56%.Therefore，the M.floridulus CNF can be prepared successfully by TEMPO-mediated ox-idation method，and perform good storage stability.The M.floridulus CNF suspension can form gel at low concentration suggests its potential in thickener and flocculant applications.［Ch，7 fig.10 ref.］

forest engineering；Miscanthus floridulus；cellulose nanofibril；TEMPO-oxidized；high pressure homogenizer；rheological behavior

TQ351.01；S781.4

A

2095-0756（2016）04-0667-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.016

2015-07-17；

2015-09-19

國家林業公益性行業科研專項（201504603）；國家自然科學基金資助項目（21404092）

李秀雯，從事納米纖維素研究。E-mail：lxwkyjy@163.com。通信作者：吳強，副教授，博士，從事生物質材料的制備與表征、聚合物流變學等研究。E-mail：wuqiang@zafu.edu.cn