基于機械力化學作用制備熒光納米纖維素

張松華，熊明誠，王梓，林鳳采，王婷，林詠梅，黃彪

（1福建農林大學材料工程學院，福建福州350108；2廣西民族大學廣西林產化學與工程重點實驗室，廣西南寧530006）

納米纖維素（纖維素納米晶體、CNCs 或纖維素納米纖維，CNF）的優異性能使其在食品包裝[1]、醫藥[2]、紡織[3]及復合材料[4]制備等方面展現出很好的應用前景。但纖維素具有很高的極性，其改性受限于有限的溶劑選擇，所以納米纖維素的改性[5]一般在特定的溶劑下進行，如三氟乙酸（CF3COOH）、氯化鋰/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAC）、離子液體等[6]，這些溶劑的價格昂貴且處理成本高，并對環境有一定的負面影響。因此，尋找一條綠色、安全、經濟的納米纖維素改性途徑一直以來都是納米纖維素利用領域的關鍵問題[7]。

檸檬酸和L-半胱氨酸都是參與生物體新陳代謝的小分子物質[8]，它們在高溫下通過多次脫水反應產生具有熒光的共軛化合物5-氧代-3,5-二氫-2H-噻唑并[3,2-a]吡啶-3,7-二羧酸（TPDCA）[9]，其表現出高量子產率、良好的生物相容性和相對低的成本。磷鎢酸是催化纖維素水解反應的綠色環保的固體雜多酸催化劑[10]，Liu 等[11]以磷鎢酸為水解纖維原料，但水解過程中磷鎢酸的用量較大，反應時間較長，反應效率較低。本文作者課題組[12]采用機械力化學法磷鎢酸催化水解，高得率地制備了納米纖維素。本研究以磷鎢酸作為催化劑[10,13]，使竹漿纖維素在機械力化學作用下形成CNC，然后在一定溶解度的檸檬酸和半胱氨酸作用下同步發生酯化反應，一步得到熒光納米纖維素F-CNC，反應過程主要是通過磷鎢酸-檸檬酸共同作用使纖維素分子中在無定形區降解，進一步催化檸檬酸與半胱氨酸反應的產物TPDCA 與納米纖維素表面C6位上的伯羥基發生酯化反應生成了F-CNC（圖1）。反應過程中水是唯一溶劑，可降低對環境負面影響。該制備方法具有簡易可行、綠色環保、酸可回收的優點，為納米纖維素功能化的制備提供了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

竹漿纖維（α-纖維素含量≥94%），購于福建省南平造紙廠；L-半胱氨酸，分析純，購于阿拉丁試劑（上海）有限公司，磷鎢酸、檸檬酸，均購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 F-CNC的制備

將竹漿纖維經過高速粉碎機粉碎，烘干備用，稱取2g 竹漿纖維置于瑪瑙球磨罐中，加入2.4g 磷鎢酸和16g 的檸檬酸和40mL 蒸餾水，在600r/min的轉速下球磨2h。球磨結束后將樣品轉移到燒瓶中加入半胱氨酸恒溫反應一定時間，半胱氨酸的濃度為0.5～1.5mol/L，反應溫度取80～160℃，反應時間取4～12h。分別考察半胱氨酸濃度、反應溫度、反應時間對所制備的熒光納米纖維素F-CNC的得率和熒光強度的影響，確定較佳的反應條件，反應結束后，超聲分散120min，通過高速離心（9000r/min，10min）去除檸檬酸、半胱氨酸和水的混合物。多次高速離心后，降低離心速率（5000 r/min，5min），收集上層乳白色懸浮液即熒光納米纖維素F-CNC 懸浮液。將該懸浮液經透析至水無熒光（在紫外-可見吸收光譜光下無熒光性質特征峰），冷凍干燥后得到F-CNC粉末。CNC的制備是在球磨結束后90℃反應一段時間，加入去離子水，超聲分散60min，離心收集得到CNC。

1.3 F-CNC得率的計算

F-CNC 均勻分散，測出其總體積，用移液管吸取30mL 于稱量瓶中，在105℃烘箱中烘干至恒重。F-CNC的得率Y按照式(1)計算。

圖1 F-CNC制備示意圖

式中，m1為干燥后樣品與稱量瓶的總質量，g；m2為稱量瓶的質量，g；m3為竹漿纖維素原料的質量，g；V為F-CNC懸浮液的總體積，mL。

1.4 樣品表征

用場發射透射電鏡（TEM）對制備的熒光納米纖維素的形態和尺寸進行分析，樣品溶液先在超聲儀中超聲30min，然后滴加樣品于碳網上，并用濾紙吸干存在于載網上的F-CNC液滴，用2%的磷鎢酸水溶液對其進行染色，干燥后觀察。采用VERTEX 70 型傅里葉變換紅外光譜儀對樣品的官能團進行表征分析：稱取冷凍干燥后的樣品4mg和400mg KBr進行混合，研磨充分后，采用壓片法進行測試，掃描的范圍為4000～400cm-1，室溫下進行測試。采用13C CP/MAS NMR 對F-CNC 的表面化學結構進行表征。采用X-ray光電子能譜對CNC粉末、F-CNC 粉末進行表面分析。采用X 射線粉末衍射儀（XRD）對樣品的結構進行表征：先將樣品制成粉末狀放置于干凈的樣品架上，設置分析參數條件，特征射線用CoKα，Ni 片濾波，電壓為85kV，2θ的范圍為6°～90°，在無干擾環境下進行測定。通過紫外-可見（UV-vis）吸收光譜和熒光光譜研究了F-CNC 的光學性質。采用英國愛丁堡FLs980 全功能型穩態/瞬態熒光光譜儀和日本島津公司UVmini-1240型紫外分光光度計來研究樣品的熒光性能。采用德國NETZSCH STA449F3型熱分析儀，在N2氣氛、升溫速率為10℃/min 的條件下對CNC、F-CNC 在30～600℃范圍內的熱穩定性進行測試分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 反應溫度對F-CNC 的得率和熒光強度的影響

取1g 竹漿纖維素，在磷鎢酸-檸檬酸體系下，球磨時間為2h，1mol/L 半胱氨酸、反應時間8h 的條件下，考察反應溫度對F-CNC 的得率和熒光強度的影響（圖2）。由圖2 可知，在80～140℃時，隨著反應溫度升高，CNF的熒光強度增大，隨著溫度的升高，有利于酯化反應的正向進行，CNC 與TPDCA 接枝率增加，140℃時，F-CNC 的熒光強度達到最大；超過140℃后，隨著反應溫度升高，FCNC 的熒光強度降低。這是因為溫度過高，增加了其他副反應生成的可能性，從而影響了CNC 的接枝率[15]。隨著溫度的升高，F-CNC 的得率增加，120℃達到最大值（58.6%），超過120℃F-CNC 的得率下降，這可能是由于溫度過高，纖維素水解程度過高，過度降解生成葡萄糖，導致得率下降，生成的F-CNC減少。

2.1.2 半胱氨酸濃度對F-CNC 的得率和熒光強度的影響

圖2 反應溫度對F-CNC的得率和熒光強度的影響

圖3 半胱氨酸濃度對F-CNC的得率和熒光強度的影響

取1g竹漿纖維素，反應溫度為140℃、反應時間為8h 的條件下，考察半胱氨酸濃度對F-CNC 的得率和熒光強度的影響見圖3。由圖3 可知，在0.25～1.25mol 檸檬酸和檸檬酸鈉時，對F-CNC 的得率變化影響不大，表明纖維素的水解跟半胱氨酸的溶解度無關。隨著檸檬酸和檸檬酸鈉濃度升高，F-CNC 的熒光強度增大，表明當檸檬酸濃度一定時，隨著半胱氨酸濃度增加，兩者形成TPDCA 增加，其與CNC 接枝率也增加。且當半胱氨酸濃度大于1.0mol/L時，其熒光強度增加不明顯。表明此時半胱氨酸與檸檬酸反應達到一個動態平衡，且半胱氨酸溶度大于1.0mol/l，產物顏色變深。

2.1.3 反應時間對F-CNC 的得率和熒光強度的影響

取1g竹漿纖維素，1.0mol/L半胱氨酸、反應溫度140℃的條件下，考察反應時間對F-CNC的得率和熒光強度的影響（圖4）。由圖4可知，隨著反應時間延長，F-CNC 的得率增加，6h 時得率取得最大值（57.4%），超過6h 后纖維素的得率下降，這可能是由于在較高溫度下反應時間較長，纖維素過度水解產生葡萄糖，導致得率下降，且超過8h 后所制備的F-CNC的顏色加深。在4～8h時，隨著反應時間的增加，F-CNC 的熒光強度增大，8h 時，F-CNC 的熒光強度達到最大；超過8h 后，隨著反應時間的增加，F-CNC 的熒光強度降低。這是由于反應未達到平衡時，延長反應時間提高了TPDCA的產生以及與CNC 的接枝率，但隨著反應時間的延長，水解和氧化等副反應產生，CNC 的接枝率隨之降低。

圖4 反應時間對于F-CNC的得率和熒光強度的影響

2.2 光學性能分析

當光照射到某些原子時，使原子核周圍的一些電子從原來的軌道躍遷到能量更高的軌道，即從基態到激發態，激發態不穩定，恢復到基態時能量以光的形式釋放產生了熒光。圖5 為CNC、TPDCA、F-CNC 水溶液的紫外-可見光吸收光譜，由圖5 可知，CNC 沒有出現特征吸收峰，TPDCA、F-CNC溶液在220nm 有很強的吸收峰是由于π→π*躍遷。在355nm 左右有很寬的吸收峰，是源于共軛的TPDCA 的n→π*躍遷造成的[9,14]，表明TPDCA 成功接枝到CNC 表面。圖6 是F-CNC 溶液在室溫下用不同的激發波長（300～400nm，間隔20nm）下的熒光光譜。由圖6可知，300～360nm范圍內隨著激發波長的增加，熒光強度逐漸增加，380nm后熒光強度開始逐漸減弱。F-CNC 在360nm 激發下顯示出最大發射，并且最大發射波長保持在435nm 附近。表明所制備的F-CNC 表現出與激發無關的發射行為，即最大發射峰不隨激發波長變化，與TPDCA顯示的現象相同[9]。

圖5 CNC、TPDCA、F-CNC的紫外-可見光吸收光譜

圖6 不同激發波長下F-CNC的發射和光譜

2.3 熒光壽命和量子產率

圖7 為F-CNC 的熒光壽命曲線，如圖所示，F-CNC 的熒光壽命曲線具有雙指數衰減動力學特征，符合二次擬合公式，如式(2)[15]。

式中，R為熒光強度；B1、B2為常數，分別為395.77、118.43；t 為時間；τ1、τ2為各指數成分壽命，分別為0.915、4.984。

通過式(3)可以算出F-CNC 的平均壽命τ*為3.44ns。通過積分球測定的絕對量子產率為34.24%。

圖7 F-CNC的熒光壽命曲線

2.4 微觀形貌分析

如CNC、F-CNC的TEM圖（圖8）所示，經過機械力化學法以及磷鎢酸-檸檬酸水解反應后，CNC、F-CNC 主要呈現出棒狀，CNC 直徑25～50nm，長度200～400nm。F-CNC 直徑20～40nm，長度150～300nm。表明機械力化學法有效地使竹漿纖維的結構發生變化[17-18]，導致纖維素分子鏈斷裂而形成CNC，且在后續反應中，纖維素進一步水解和酯化，制備出了直徑更小的F-CNC。

圖8 CNC和F-CNC的透射電鏡圖

2.5 紅外光譜分析（FTIR）

圖9 竹漿纖維、CNC和F-CNC的紅外光譜圖

2.6 固體13C CP-MAS NMR分析

圖10為CNC和F-CNC的CP-MAS13C核磁共振譜圖。由圖10可知，CNC 在δ104.3、87.8、74.2及64.8處出現了特征吸收峰，分別對應纖維素的C1，C4，C2、3、5 以及C6 的共振吸收峰[27]。與CNC的13C NMR譜圖相比，F-CNC的譜圖中出現了CNC的特征吸收峰，表明F-CNC 保留了纖維素的基本骨架。且在δ35～50、97、114.1、140～165出現新的共振吸收峰，屬于檸檬酸碳原子以及形成TPDCA上吡啶酮的碳原子共振吸收峰[24,27]，說明TPDCA基團成功接枝到CNC表面。

2.7 XPS分析

圖10 CNC、F-CNC的CP-MAS核磁共振譜圖

圖11 CNC、F-CNC的XPS分析

2.8 晶體結構

采用X射線粉末衍射儀對納米纖維素的晶體結構進行分析。結晶度的計算采用Segal 等提出的經驗結晶指數（CI）計算，這是一種通過X射線衍射譜圖快速判斷結晶度大小的方法[20]，如式(3)。

式中，I002為（002）晶面的衍射強度；Iam為無定形區的衍射強度。

圖12 為竹漿纖維、CNC 和F-CNC 的XRD 譜圖?？梢悦黠@看到CNC 和F-CNC 均在2θ 為15°、16.5°、22.7°、34.8°出現較強的衍射峰，對應（110）、（110）、（200）、（004）晶面，為纖維素Ⅰ型[24]。按照式(3)可得竹漿纖維素的結晶度為71.6%，而CNC的結晶度為75.3%，F-CNC 的結晶度為75.1%，說明在酯化反應過程中，CNC 非結晶區水解與酯化同步進行。同時也表明了反應過程中F-CNC 的晶體結構未被破壞，結晶區得以保留[24]，形成分子排列規則的晶體，有利于拓寬功能化納米纖維的應用。

圖12 竹漿纖維、CNC和F-CNC的XRD光譜圖

2.9 熱分析

圖13 為竹漿纖維、CNC、F-CNC 的熱重分析譜圖。由圖13可知，竹漿纖維原料、CNC、F-CNC在30～120℃的質量損失來源于纖維表面吸收的水分的揮發，在300～380℃階段，TG 曲線迅速下降是因為纖維素大分子鏈斷裂，逐步開始熱分解。竹漿纖維原料的起始熱分解溫度為334℃，在334～371℃之間質量損失最大，熱分解速率最大溫度為356℃。CNC 的起始熱分解溫度為337℃，在337～380℃之間質量損失最大，熱分解速率最大溫度為362℃。F-CNC 的起始熱分解溫度為283℃，在283～369℃之間質量損失最大，熱分解速率最大溫度為354℃。結果表明，制備的CNC熱穩定性略微有所增加，可能是在機械力化學作用下去除了無定形區和排列無序的晶體，使纖維素分子內晶體排列規整[26]，以及在磷鎢酸-檸檬酸水解下一小部分纖維表面羧基化造成的。F-CNC 的熱穩定性下降和酯化過程中表面TPDCA的引入有關。

圖13 竹漿纖維、CNC和F-CNC的TG譜圖和DTG譜圖

3 結論

基于機械力化學作用，以磷鎢酸-檸檬酸為催化劑，半胱氨酸為改性劑，采用一鍋法制備了熒光納米纖維素（F-CNC），使纖維素無定形區降解與羥基酯化反應同步進行，避免了中間產物的分離，減少了常規方法的繁瑣步驟。反應過程中水是唯一溶劑，降低了后續處理的成本，綠色環保。F-CNC具有熒光性質以及纖維素本身的生物相容性，在防偽、UV 屏蔽、生物醫藥示蹤標記等領域具有很好的應用前景。