納米微晶纖維素的陽離子表面功能化

納米微晶纖維素的陽離子表面功能化

納米微晶纖維素由硫酸水解棉花得到，它同環氧丙基三甲基氯化銨（EPTMAC）經過一系列的反應表面變得陽離子化。生成的納米微晶懸浮液的特點是ζ電位、電導滴定法、顯微鏡偏正光、原子力顯微鏡（AFM）顯示改性后的納米微晶體的尺寸和形狀無變化，但是功能化過程轉變其表面電荷，并導致總表面電荷密度的減少。這個改性引起穩定的纖維納米晶體水懸浮液不希望的凝膠及流變特性。橫波雙折射，卻無法檢測到分離的液晶手性向列相。

簡介

控制酸水解纖維素懸浮物得到的棒狀、高結晶度的纖維素納米粒子，其性能同時受纖維素本身和水解條件的影響。盡管用鹽酸水解得到的納米微晶纖維素在水中的分散性有限，用硫酸做相同的處理，得到表面被磺酸基團酯化的納米晶體，在水溶液中能產生靜電穩定性。在懸浮液中的納米晶體的自排序引起手性向列型液晶階段的形成。這些現象使得基于固化液態晶體光學性能的新應用成為可能。

在本文中，我們報告了硫酸水解CNC的表面陽離子化，并研究了陽離子穩定CNC水溶懸浮液的一些物理性能。先前，EPTMAC當做陽離子化劑用于諸如棉短絨、淀粉、木聚糖、殼聚糖，得到表面被陽離子羥丙基-甲基氯化銨取代的納米微晶纖維素 （HPTMAC-CNC）。HPTMAC-CNC的化學成分、表面電荷和尺寸都已被研究過。HPTMAC-CNC在水中的懸浮液在形成液晶階段之前會顯現出不希望的凝膠。與未功能化的硫酸水解CNC形成對比，這引起了對這些新的陽離子懸浮液/膠體流變特性的研究。

第一個對CNC流變性的研究表明晶體的尺寸和大小分布是影響流體力學性能的主要因素。在這項研究中，動態振蕩流量測試為HPTMAC-CNC水凝膠的流變行為提供相應信息，在同心圓環間測量循環庫愛特流量是確定這種非牛頓液體黏度的一種常用方法。以前其他研發團隊的工作表明，CNC懸浮液黏度隨著剪切速率的變化可歸為三種類型：在低剪切速率下，在預定區域開始流動時黏度降低；在次區域（中剪切力）可以觀測到在所有的領域黏度都很平穩；在高剪切力下，因為對齊的單個CNC棒狀物流動性加強，黏度的下降更為明顯。

HPTMAC-CNC凝膠呈現出觸變性，這種性能在用鹽酸水解的CNC上也可以觀測到。能檢測出來這種觸變性在恒定的剪切速率下會逐漸地降低粘度，當壓力去除時黏度又可以恢復。過去認為，在CNC懸浮液中降低其表面電荷能促使其凝膠。然而，在我們這個情況下，CNC表面化學改性意味著當研究觸變凝膠機理時必須考慮到表面結構中新的取代物和改變的交互作用。例如，眾所周知三甲胺鹽用來增強吸水性，它們的存在可能會影響HPTMAC-CNC懸浮液。氯離子的重要性通過離子交換進行檢測。殘余硫酸酯的存在也會被研究，因為這些陰離子基團可能會通過靜電作用導致凝膠現象。

試驗階段

材料

Whatman纖維素助濾劑的棉用來當做纖維素原材料。EPTMAC購置Fluka，并回收使用。去離子水（18.2MΩ cm，Millipore Milli-Q凈化系統）不用pH調整直接使用。氫氧化鈉和氯化鈉容積標準及用于滴定的硝酸銀從Aldrich取得。

硫酸水解纖維素

CNC懸浮液是由質量比為64%的硫酸（Sigma）在45℃下持續攪拌45min水解得到的。通常，40g棉助濾劑用700mL酸處理。酸水解后立即用10倍的純凈水來稀釋懸浮液以終止反應。懸浮液在6000rpm的轉速下離心10min，用來濃縮纖維素，去除多余的水和酸。沉淀物經過洗滌、再離心、用水透析5天，直到溶液pH值呈穩定的中性。用混合離子交換器做實驗研究，將分級離子交換樹脂（來自σ的DOWEX MR-3）加入到纖維素懸浮液中，待48 h后再通過硬質無灰濾紙進行過濾、移除（Whatman 541）。懸浮液在冰浴中冷卻，取60%進行超聲處理（Vibracell聲波發生器，超音速和材料公司，丹伯里，康涅狄格州）來制造出膠體尺寸的纖維素晶體。隨后這些納米晶體用0.0020M的氫氧化鈉電導滴定 （ORION電導電池018010，電池常數K=0.987cm-1，連接著一個Fisher scientific accumet pH儀表50）從質子化了的硫酸酯轉變為鈉鹽。納米微晶纖維素表面電荷密度用176nm×13nm的平均結晶大小 （從AFM圖像觀察）的電導滴定法測定，估算為0.41±0.3e nm-2。

CNC的陽離子化

一定濃度的氫氧化鈉溶液加入質量比為8.9%的CNC懸浮液中至氫氧化鈉w/v比為7%。常溫攪拌30min后，加入EPTMAC(1等同纖維素羥基)，混合物于65℃下攪拌5 h后，反應混合物用5倍的水稀釋，再用純凈水透析15天 （來自Spectrum Labs的纖維素透析膜，透析袋分子截留量為12000～14000Da）。得到的HPTMAC-CNC懸浮液其質量比約為1%，先在真空下超聲處理和過濾后，再在減壓和室溫下經行蒸汽濃縮。

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AgNO3電導滴定法

假設1個三甲胺基團對應一個氯化物，三甲胺氯基團的數量通過氯離子同硝酸銀溶液電導滴定法測定。通常，100mL質量比為1%的HPTMAC-CNC懸浮液每隔30s加入約0.5ml硝酸銀溶液滴定。相應的表面電荷密度取決于假設CNC的表面積為2.60×1020nm2g-1，基于AFM尺寸的測量。給出的結果是兩個滴定的平均值。

原子力顯微鏡（AFM）

一臺MFP-3D（Asylun Research）原子力顯微鏡用來觀察CNC表面形態。用Ultaasharp Si tips(彈簧系數5.7Nm-1，共振頻率ca.160kHz，NSC14系列，Mikro-Masch)在CNC干膜片和HPTMAC-CNC云母上在敲擊模式下收集圖像，使用質量比為0.001的懸浮液。這些樣品進一步沖洗，以便表面覆蓋足夠少，能更好地測量單個晶體。納米晶體的尺寸用Igor Pro v5.04軟件分析25個晶體3和5μm的圖像測定。

光學顯微鏡

HPTMC-CNC的顯微鏡照片用偏光顯微鏡 （尼康偏光顯微鏡Eclipse LV100POL及尼康攝像機控制器DS-U2）拍攝。通常的步驟是放幾滴HOTMC-CNC懸浮液在標準載玻片上，蓋上蓋玻片進行觀察。圖像在樣品邊緣干燥過程中拍攝獲得。

Zeta電位測量值

未功能化的CNC和HPTMAC-CNC的電泳遷移率通過微電泳法儀器MkⅡ（Rank Brothers，諾丁漢）來測量。遷移值用夫斯基方程轉換為ζ電位，報告值為20個測量值的平均值。

流變學研究

用一個控制應力/應變流變儀 （高級流變儀AR2000，TA Instruments）同一個鋸齒形的穆尼庫艾特幾何體一起研究HPTMAC-CNC動態流變學。有兩種不同濃度的HTPMAC-CNC懸浮液用于研究（質量比分為1.9±0.7%和5.0±0.7%）。流變儀在與丙酮使用之前先清洗，用一個雙層帕爾帖水浴控制溫度在23℃。同心氣缸的距離為1mm。為了避免樣品蒸發，將樣品覆蓋住并且使用礦物油。兩種類型的程序在運行：震蕩剪切試驗和觸變性循環。

震蕩剪切試驗提供動態粘度 （η'）、儲存模量（G'）、損耗模量（G''），這些都跟角頻率（ω）相反。 進行震蕩剪切掃描測試之前，應先讓水凝膠休息3～5min。在0.01-100Hz下進行掃描，對質量比為1.9±0.7%的懸浮液控制應變振幅為0.25，質量比為5.0±0.7%的懸浮液控制振幅為0.05。應變值根據初步測定值選定在線性黏粘性范圍內。

觸變性是通過測定在沒有應用應變條件下隨著剪切率的增加（0.1-100s-1）和降低（100-0.1s-1）的剪切黏度觀察得到的:觸變性循環的過程對凝膠來說是一個常見的非線性黏性的測量。在進行觸變性運行之前，樣品先平衡10min，每隔1min得到一個測量值。Cox-Merz這個經驗規則是在復合模量和剪切應力一致那個點通過設定與剪切率相等的任意角頻率，用來將角頻率（ω）轉換為剪切率（γ）。以前的研究表明纖維素水凝膠與溫度關系不大，所以這里就不再考慮溫度了。

脫硫過程

為了研究凝膠中殘余硫酸酯基團的重要性和HPTMAC-CNC懸浮液的流變性能，在用EPTMAC功能化之前，需要先通過水解將硫酸酯基團完全除掉。在一個典型的過程中，質量比為9%的納米微晶纖維素懸浮液在水中和氫氧化鈉固體混合使得氫氧化鈉的當量濃度為2M。在65℃下攪拌混合。懸浮液5個小時后用純凈水透析凈化。用0.0020M氫氧化鈉對CNC進行電導滴定來確認硫酸酯基團是否還存在。用EPTMAC功能化的后續工作根據以上步驟實行。

離子交換過程

離子交換過程是通過攪拌少量的HPTMACCNC懸浮液和DOERX-MR離混合離子交換器（西格瑪）來進行。通過這個過程，HPTMAC-CNC的氯離子交換為氫氧根離子。24h之后過濾除去樹脂。

結果與討論

CNC的陽離子化

用EPTMCA對CNC表面陽離子化通過堿激發纖維素羥基的親核加成到EPTMAC環氧基團，根據反應圖1所示，在這個反應中，基準物的數量必須提供足夠表面羥基，同時避免基準物引發晶體結構的改變?；鶞饰锏臐舛葢銐蚋?，以便在陽離子化時能完全水解表面硫酸酯基團以保證得到的陽離子性CNC較純。2M氫氧化鈉完成電荷轉換如電位測量所見。在這種條件下，水解能完全移除表面硫酸酯基團而不破壞晶體結構。經過大量的透析和聲波降解，穩定的HPTMAC-CNC水懸浮液形成。

HPTMAC-CNC特性

HPTMAC-CNC主要的表面性質通過電位、AFM、電導滴定法（表1）測得。用電泳率測量值來確認EPTMAC對CNC的陽離子化。CNC懸浮液的電位表面用EPTMAC處理之后，電荷從之前的-39±3mv變為之后的+30±5mv。表面功能化電位的大小表明為穩定的懸浮液。三氯甲胺含量由氯離子同硝酸銀電導滴定得到（圖2），并根據0.02每體積脫水葡萄糖單元（AUG）的取代度測得含量為0.112mmolg-1。假設大部分表面陽離子化，這使得表面電荷密度為0.26enm-2，而原材料的為0.41 enm-2。電位和電導滴定都表面改性引進的陽離子取代物比CNC表面存在的原始硫酸酯基團數量要少。

AFM對CNC和HPTMAC-CNC研究得到其納米晶體的尺寸分別為13±3nm176±21nm及11±2nm174±18nm，由此可確定功能化CNC并沒有影響到納米晶體的尺寸和形狀（圖3，b）。在平云母表面HPTMACCNC比沒有功能化的CNC更容易干燥。HPTMACCNC陽離子性質增強了其吸附到陰離子云母上的力，而且這個納米晶體不容易被沖洗掉。圖3a中的聚合物是CNC陰離子懸浮液在云母上干燥后常見的人工現象（即使在低濃度下），并不意味著在溶液中存在聚合物。雖然云母和硅常用做基片，它們都是負電荷且常與CNC表現出異常的干燥效果，制造更多不均勻的CNC膜片最近已經解決。云母上的HPTMAC-CNC單分子（圖3b）是從0.001%懸浮液得到的靜電吸附層，懸浮液隨后洗凈，沒有表現出任何聚合的明顯現象。

圖2 0.01M的AgNO∶滴定質量比為1%的HPTMAC-CNC的電導率

圖3 平云母表面的CNC用HPTMAC功能化前（a）后（b）的原子力顯微鏡高度圖像

圖4 在質量比為1.9%的HPTMAC-CNC水懸浮液中通過交叉偏振片觀察到的剪切誘導雙折射，容器直徑20mm

HPTMAC-CNC穩定的水懸浮液中能觀察到剪切雙折射現象，為料想中的棒狀膠體。圖4是質量比為1.9%的HPTMAC-CNC懸浮液通過交叉偏正器搖晃小瓶得到的圖像。靜止時雙折射現象就會消失。即使經過冷凍干燥，HPTMAC-CNC在水中也很容易重新分散并保留剪切雙折射現象。

通過增加濃度，我們期望觀察到易溶液晶手性向列相的形成，由初始陰離子CNC懸浮液表明。質量比濃度超過3.5%時，HPTMAC-CNC懸浮液會形成各向同性凝膠，這明顯抑制了有序液晶相的形成。然而，在有序液晶相區域，向列型而不是預期的手性向列液晶的特征隨著固化樣品邊緣水蒸發而表現出來。當對干燥中的懸浮液施壓時，有序區域變形，但手性向列相結構再一次消失。有序區域的偏光顯微鏡圖像接近樣品的邊緣 （在偏正器和檢偏鏡之間用一個530納米光減速板），如圖5所示。此外，HPTMAC-CNC表現出剪切稀化現象。這可通過圖6中質量比為4.9%的凝膠解釋，圖6表明凝膠在小瓶翻轉時穩定（圖6a），但在攪動時很容易流動（圖6b）。

圖5 HPTMAC-CNC懸浮液固化邊緣 （左側）偏振鏡間的顯微照片，列線狀紋理顯示在右側，條碼秤100mm

圖6 質量比為4.9%的HPMAC-CNC凝膠在攪拌前（左）和立即攪拌后（右）的觸變性行為。

流變學研究

HPTMAC－CNC的震動剪切測試結果示于圖7，動態黏度（η'）、儲存模量（G'）、損耗模量（G''），這些都跟角頻率（ω）相反。在所有的情況下，剪切力變小能觀察得到（圖7a）。濃縮的樣品動態濃度下降2個數量級，稀釋的樣品動態濃度下降了1個數量級，角頻率范圍為0.1－100Hz。在這個系統中剪切稀釋的現象是持續的，三個剪切黏度范圍通常在CNC液晶懸浮液中不能明顯地觀察到（例如流動域、穩定區和流動平衡區的剪切稀釋現象黏度降低）。

儲存模量和耗損模量隨著HPTMAC－CNC濃度的增加都會降低。對于很有彈性的理想凝膠來說，獨立彈性模量期望為G'∝ω0及G'＞＞＞ G''； 然而，質量比為5%的懸浮液更接近這個關系，濃度越低表現出的黏性流體性質越接近G'＜＜＜ G''（圖7b）。黏度和彈性比率的特征也可用耗損正切值來量化 （tanσ=G''/G'），在所有角頻率下質量比為5.0%的懸浮液耗損正切值為0.39±0.02質量比1.9%的為2.2±0.4。這表明隨著濃度增加HPTMAC－CNC懸浮液的性能從黏性液體轉變為彈性凝膠。

凝膠的機械強度（或彈性剛度）與儲存模量有關。質量比為5.0%的HPTMAC－CNC懸浮液的值大約為10Pa，這個值與用鹽酸水解棉花得到的1%的纖維素納米晶體懸浮液觀察到的值及質量比為2.5%用酶和機械聯合處理從未干燥過的木漿制備的長且易卷曲的納米纖維素纖維的值差不多。形成凝膠的趨勢顯然要比鹽酸水解棉花納米晶體要大（棉花納米晶體表面電荷比HOTMAC－CNC納米晶體的要低），比很長的酶制備的納米纖維更大。對于質量比為1.9%的HPTMAC－CNC懸浮液， 值從10－2到10－1Pa，相比酶制備的納米纖維素在相似濃度下G'約為103。

圖 7 震動剪切測試，（a）動態黏度（η'），（b）儲存模量（G'，打開符號）、損耗模量（G''，關閉符號）作為質量比為5.0%(圓)和1.9%(三角形)的HPTMAC-CNC的角頻率（ω）的函數

圖8 觸變循環顯示了作為質量比為5.%（圓）和1.9%（三角形）HPTMAC-CNC 的剪切率（γ）的函數剪切黏度（η'）。 打開符號是剪切增加 （0.1-100s-1），關閉符號是剪切降低（100-0.1s-1）。

質量比5.0%的HPTMAC-CNC懸浮液表現出定性觸變流體的行為 （圖6）。一些觸變性的流變證明通過觀察增加和降低剪切率直接的黏度滯后得到。那樣觀察得的觸變循環如圖8所示。此外，觸變測量值能讓我們研究作為剪切率函數的剪切強度，表明低濃度的HPTMAC-CNC表現出比高濃樣品更接近牛頓流體行為。

以前的CNC懸浮液觸變性研究表明納米晶體的制備方式能引起凝膠性能的變化，通常都是表面電荷密度發生變化。盡管用鹽酸和硫酸水解的CNC都表現出剪切稀化，鹽酸懸浮液的觸變性質量比超過0.5%，反觸變性質量比低于0.3%。這個效果歸因于鹽酸系統中電荷的降低和內部粒子的聚合。在本研究中，更低濃度范圍的HPTMAC-CNC還沒有驗證過，然而功能化系統中觸變性的存在與電位數值些許下降相符（從-39mV到30mV）。在剪切率為10s-1下，質量比為1.9%的HPTMAC-CNC的黏度為0.06Pas，這比質量比為1.6%的硫酸水解得到的CNC大20倍，且與質量比為0.7%用鹽酸水解得到的CNC差不多。

離子交換和脫硫研究

當在EPTMAC處理之前脫硫，HPTMAC-CNC懸浮液表現出與未經過脫硫過程的相應的功能化懸浮液表現出相同的凝膠性能。這表明CNC上剩余的陰離子基團與凝膠機理無關。

另一方面，用氫氧根離子交換氯離子，得到的懸浮液明顯有不同的性能。（用鹽酸電導滴定來確認氯離子是否氯離子完全被氫氧根離子替換了）。與原始HPTMAC-CNC的凝膠能力很強，在質量比為3.5%時凝膠，與之不同的是離子交換懸浮液更不容易凝膠；質量比約到5%時才開始凝膠。此外降低以上所說的電荷效果，離子的性質在功能化CNC凝膠的形成過程中起很重要的作用。

結論

在水溶液中用EPTMAC表面陽離子化CNC因陽離子三氯甲胺基團成靜電穩定狀態。溫和的堿性陽離子化環境保護了纖維素納米晶體的晶體形態和尺寸，而使得表面陰離子硫酸酯基團大量水解。與最初的CNC原料的陽離子表面電荷密度相比，陽離子化會使得總陽離子表面電荷密度輕微的降低。在很容易觀察到初始陰離子納米晶體濃度的地方，這些陽離子納米晶體懸浮液形成凝膠的趨勢明顯抑制了手性向列相液晶階段的形成。決定棒狀膠體種類的相對趨勢而不是形成有序的液體過程的因素不怎么好理解。然而，在這個系統，棒狀幾何體沒有改變，只有唯一的形式存在于納米晶體中，離子和水。顯然，較低的靜電斥力，季銨離子取代基的性質和平衡離子有助于觀察到的凝膠。

謝清萍編譯自：This journal is a The Royal Society of Chemistry 2008，Soft Matter,2008,4,2238–2244