摘要
本研究以漂白杨木化学浆为原料,采用氨基磺酸与甘油基低共熔溶剂(DES)结合超微粉碎处理制备硫酸化纤维素纳米纤丝(CNF)。探讨了预处理时间(1.0、1.5 h)、氨基磺酸与纤维素的摩尔比(20∶1、15∶1、10∶1)对纸浆纤维质量和CNF性能的影响。利用纤维质量分析仪、元素分析仪和傅里叶变换红外光谱仪对DES预处理前后的纸浆纤维结构进行了分析表征。结果表明,与未经过DES预处理的纸浆相比,经过DES预处理后纸浆纤维长度显著降低,最多降低72.67%,而纸浆纤维直径有所增加,最大增加26.82%。随着预处理时间的延长和氨基磺酸用量的增加,纸浆纤维长度降低,纸浆纤维的直径增大,纸浆纤维的硫含量增加,取代度(DS)提高至0.17。使用粒度分析仪、原子力显微镜、Zeta电位检测仪、X射线衍射仪和多重光散射分析仪对制备的CNF进行分析显示,DES预处理后,CNF的平均粒径减小,平均粒径最小为40.02 nm,CNF胶体的Zeta电位在 -43.50~-18.80 mV之间,结晶度降低,最低为58.51%,CNF悬浮液的稳定性提高。
近年来,纤维素纳米纤丝(Cellulose nanofibril, CNF)以其独特的结构和性能引起了人们广泛的兴趣。CNF是一种直径在纳米范围内的长纠缠纤
机械处理是制备CNF的常用方法,但此方法能耗较高,因此研究人员通常采用化学预处理来降低能
因此,为了克服当前硫酸化CNF制备方法的不足,本研究采用氨基磺酸与甘油基DES预处理和超微粉碎机机械处理的方法制备硫酸化CNF,并利用纤维质量分析仪、元素分析仪和傅里叶变换红外光谱仪对DES预处理前后的纸浆纤维结构进行分析表征,借助粒度分析仪、原子力显微镜、Zeta电位检测仪、X射线衍射仪和多重光散射分析仪分析检测CNF的粒径、表面形貌、Zeta电位、结晶度和其悬浮液稳定性等性能,探究了氨基磺酸与纤维素的比例以及处理时间对处理效果的影响。
氨基磺酸(分析纯,上海麦克林生化科技有限公司);甘油(分析纯,国药集团化学试剂有限公司);蒸馏水(电导率1.0 μS/cm,25℃,实验室自制);漂白化学杨木浆板(山东华泰纸业股份有限公司)。
将漂白化学杨木浆板用疏解机进行疏解分散后置于60℃烘箱中干燥24 h,得到漂白化学杨木浆纤维。氨基磺酸与甘油以摩尔比1∶2混合置于圆底烧瓶中,然后于90℃油浴锅中加热,直至得到澄清透明的液体,即DES体系。
将漂白化学杨木浆纤维加入到制备的DES体系中,漂白化学杨木浆纤维的加入量按照氨基磺酸与纤维素的摩尔比计算,分别为10∶1、15∶1、20∶1,然后将油浴锅的温度升至100℃,并在100℃下连续搅拌进行反应,反应时间分别为1.0 h和1.5 h。反应完成后,将反应混合液从油浴中取出,室温冷却5 min。将预处理后的漂白化学杨木浆纤维悬浮液过滤,用去离子水洗涤至中性,制得改性的漂白化学杨木浆纤维。根据氨基磺酸与纤维素的摩尔比和DES对纤维原料预处理时间的不同,分别将改性的漂白化学杨木浆纤维命名为SPulp10-1、SPulp10-1.5、SPulp15-1、SPulp15-1.5、SPulp20-1、SPulp20-1.5。未经DES预处理的漂白化学杨木浆命名为Pulp。
将DES预处理前后的漂白化学杨木浆纤维放入超微粉碎机中进行超微粉碎处理,超微粉碎机(MKCA6-5J,日本增幸产业株式会社有限公司)处理条件为:磨盘间隙85 µm,磨盘转速1800 r/min,处理次数10次。硫酸化CNF的制备流程图如

图1 硫酸化CNF的制备流程图
Fig. 1 Preparation flow chart of sulfated CNF
采用元素分析仪(UNICUBE型,德国Elementar公司)对DES预处理后的浆料进行元素分析。在测定前,将样品放于60℃烘箱中干燥12 h。取代度(DS)根据
(1) |
式中,S为硫元素含量;162.15 mmol/g为葡萄糖单元的相对分子质量;97.10 mmol/g为硫酸铵基的相对分子质
采用粒度分析仪(NanoZS90型,英国Malvern公司)对CNF悬浮液的粒径进行检测。测定前用去离子水将CNF悬浮液稀释至0.125%,超声处理10 s后用于检测,将CNF悬浮液置于比色皿中进行检测,每次测量100 s, 每个样品平行测定3次取平均值。
采用原子力显微镜(AFM,Multimode 8型,德国Bruker公司)对CNF样品的表面进行观察。将样品配制成0.001%的CNF悬浮液,超声处理15 min后,利用旋涂机(Coater 6型,美国Schwan Easy公司)将CNF悬浮液滴在新切割的云母片(TO-3PMICA型,日本TOSAI公司)表面,风干后用于检测。
Zeta电位值表征了纳米粒子的表面电荷。CNF的Zeta电位由Zeta电位检测仪(Nano ZS90型,英国Malvern公司)测定。在检测前,将所有样品稀释至0.005%以测定Zeta电位。
采用X-射线衍射仪(XRD,D8-ADVANCE 型,德国布鲁克AXS公司)进行样品结晶度测试,工作电压40 kV,工作电流20 mA,扫描速度10°/min,扫描范围2θ为10°~60°,结晶度(CrI)根据
(2) |
式中,I200为2θ=22.6°处的衍射峰的强度;Iam为2θ=18°处的衍射峰的强
DES预处理前后浆料的纤维长度和直径如
从
DES预处理前后浆料纤维的FT-IR谱图如

图2 DES预处理前后纸浆纤维的FT-IR谱图
Fig. 2 FT-IR spectra of fiber before and after DES pretreatment
CNF的粒径分布图如

图3 CNF的粒径分布图
Fig. 3 Particle size distribution of CNF
CNF0-0、SCNF15-1、SCNF15-1.5、SCNF20-1.5样品的AFM图如

(a) CNF0-0

(b) SCNF15-1

(c) SCNF15-1.5

(d) SCNF20-1.5
图4 CNF的AFM图
Fig. 4 AFM images of CNF
CNF的Zeta电位值如
CNF的XRD谱图如

图5 CNF的XRD曲线
Fig. 5 XRD curves of CNF
CNF的稳定性谱图如







图6 CNF的稳定性谱图
Fig. 6 Stability spectra of CNF
CNF的TSI曲线如

图7 CNF的TSI曲线
Fig. 7 TSI curves of CNF
本研究以漂白杨木化学浆为原料,采用氨基磺酸与甘油基低共熔溶剂(DES)预处理与超微粉碎机械处理相结合的方法成功制备得到磺化纤维素纳米纤丝(CNF)。并研究了预处理时间和氨基磺酸与纤维素的摩尔比对DES预处理后的纸浆纤维和CNF性能的影响。
3.1 DES预处理时间从1.0 h到1.5 h,DES处理后的纸浆纤维长度减小,纤维直径和取代度增大,最大取代度为0.17;DES预处理后的CNF的平均粒径减小,平均粒径最小为40.02 nm,Zeta电位的绝对值增大,胶体稳定性提高,结晶度下降,CNF悬浮液的稳定性提高。
3.2 DES预处理时间相同条件下,当氨基磺酸与纤维素的摩尔比为20∶1时,DES预处理纸浆纤维的效果要优于氨基磺酸与纤维素的摩尔比为10∶1、15∶1时的效果,且将DES预处理的纸浆纤维制备成CNF悬浮液稳定性优于未经过DES预处理制备的CNF稳定性。
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