水熱法制備尺寸均一的木質(zhì)素納米粒子及其形成機(jī)理

摘 要：【目的】利用牛皮紙木質(zhì)素的不可逆熱響應(yīng)特性在水中制備尺寸均一的木質(zhì)素納米粒子。并探討木質(zhì)素不可逆熱響應(yīng)行為的機(jī)理，為木質(zhì)素納米粒子的制備提供新思路。【方法】研究了不同pH值和溫度條件下制備的木質(zhì)素納米粒子形態(tài)。采用全反射衰減紅外光譜、紫外-光掃描光譜以及差示掃描量熱等方法，進(jìn)一步分析了加熱過程中木質(zhì)素與水以及木質(zhì)素分子間相互作用的變化。【結(jié)果】在125 ℃條件下加熱30 min，可以得到平均水合粒徑為94 nm、多分散性指數(shù)為0.12的木質(zhì)素納米粒子。掃描電子顯微鏡顯示，這些納米粒子呈規(guī)則的球形。ATR-FTIR結(jié)果顯示，在加熱過程中，木質(zhì)素中-CH3和-CH2-的吸收峰發(fā)生紅移。FTIR結(jié)果顯示，加熱后木質(zhì)素中C=O吸收峰藍(lán)移。紫外-可見光掃描光譜結(jié)果顯示，未觀察到木質(zhì)素的紫外吸收峰的位移變化。DSC結(jié)果顯示，木質(zhì)素的熱響應(yīng)過程需要吸收熱量。酸-堿滴定結(jié)果顯示，熱處理后木質(zhì)素中的羧基去質(zhì)子化出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，并且隨著加熱溫度的上升以及加熱時間的延長這種滯后現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)。【結(jié)論】溫度升高后，木質(zhì)素與水的相互作用減弱，這是其產(chǎn)生熱響應(yīng)行為的主要原因。此外，木質(zhì)素聚集后主要形成疏水相互作用。木質(zhì)素的不可逆熱響應(yīng)現(xiàn)象可歸因于木質(zhì)素疏水聚集導(dǎo)致溶解自由能增加。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)素；木質(zhì)素納米粒子；環(huán)保制備方法；木質(zhì)素?zé)犴憫?yīng)機(jī)制；分子間相互作用

中圖分類號：S781.29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-923X（2025）03-0167-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21966007）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018GXNSFAA281278）。

Preparation of lignin nanoparticles with uniform size and its formation mechanism by hydrothermal method

YIN Yaqing1， WU Jingzhi1， QIN Shanjia1， XIE Bing3， TANG Aixing1， LIU Youyan1，2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， Guangxi， China； 2. Guangxi Key Laboratory of Biological Refinery， Nanning 530004， Guangxi， China； 3. Guangxi Institute of Veterinary Drug Control， Nanning 530001， Guangxi， China）

Abstract：【Objective】Utilize the irreversible thermal response characteristics of kraft lignin to prepare uniformly sized lignin nanoparticles in water， and explore the mechanism of lignin’s irreversible thermal response behavior. This study provides new insights into the preparation of lignin nanoparticles.【Method】The morphology of lignin nanoparticles prepared under different pH values and temperature conditions was investigated. The changes in the interaction between lignin and water， as well as intermolecular interactions of lignin， during the heating process were further analyzed using techniques such as attenuated total reflectance infrared spectroscopy， ultraviolet-visible scanning spectroscopy， and differential scanning calorimetry.【Result】Heating at 125 ℃ for 30 minutes yielded lignin nanoparticles with an average hydrodynamic diameter of 94 nm and a polydispersity index of 0.12. Scanning electron microscopy revealed that these nanoparticles exhibited regular spherical shapes. ATR-FTIR results demonstrated a redshift in the absorption peaks of -CH3 and-CH2- groups in lignin during heating. FTIR results showed a blueshift in the C=O absorption peak in lignin after heating. UV-Vis scanning spectroscopy results indicated no significant shift in the UV absorption peak of lignin. DSC results indicated that the thermal response process of lignin requires heat absorption. Acid-base titration results revealed a lag phenomenon in the deprotonation of carboxyl groups in lignin after heat treatment， which intensified with increasing heating temperature and duration.【Conclusion】The lignin-water interaction is weakened by the increase in temperature， which is the main reason for its thermo-responsive behavior. The irreversible aggregation of lignin due to heating is then attributed to an increase in the free energy of solvation due to hydrophobic aggregation.

Keywords： lignin； lignin nanoparticles； environmentally friendly preparation methods； lignin thermal response mechanism； intermolecular interactions

在石化資源日漸枯竭及其使用引起的全球變暖和環(huán)境污染的形勢下，推動從石化資源向可再生資源的轉(zhuǎn)變，已成為世界各國的發(fā)展目標(biāo)。木質(zhì)素是僅次于纖維素的第二大木質(zhì)纖維素生物聚合物，具有來源廣泛和價格低廉的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具商業(yè)潛力的可再生資源[1-2]。然而，每年紙漿工業(yè)會產(chǎn)生約5 000萬t木質(zhì)素副產(chǎn)物，其中大部分木質(zhì)素作為低價值燃料進(jìn)行燃燒，僅有不到2%用于其他用途[3]，這一使用比例遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期。因此，如何實(shí)現(xiàn)對木質(zhì)素的高值化利用一直是研究者們關(guān)注重點(diǎn)[4]。

近年來，木質(zhì)素納米粒子作為木質(zhì)素高值化應(yīng)用的新途徑備受矚目。除了木質(zhì)素固有的生物相容性、可生物降解、抗氧化以及抗紫外的特性以外，木質(zhì)素納米粒子還兼具高比表面積、結(jié)構(gòu)規(guī)整和在水中分散穩(wěn)定等優(yōu)勢。這些特性使得木質(zhì)素納米粒子在藥物輸送、生物催化、抗菌材料、復(fù)合材料和皮克林乳液等高級應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[5]。

目前報道的制備木質(zhì)素基納米顆粒的方法主要包括溶劑置換、酸沉淀、乳液聚合、超聲處理等[1]。其中溶劑置換法在木質(zhì)素納米粒子的制備中被廣泛采用，因?yàn)槠涔に嚭唵危抑苽涞募{米粒子形狀規(guī)則、尺寸均一[6]。在典型的溶劑置換過程中，木質(zhì)素首先溶于有機(jī)溶劑中，然后加入反溶劑（通常是水）。在過飽和狀態(tài)下，木質(zhì)素會自發(fā)聚集形成球形顆粒，以減少與非溶劑相互接觸。然而由于該方法不可避免地需要大量使用有機(jī)溶劑，這會帶來額外的環(huán)境風(fēng)險，并且溶劑回收是一個高能耗的過程。

水熱處理是一種簡單成熟的工藝，在紙漿工業(yè)中被廣泛采用。而利用聚合物在不同溫度水中的溶解度變化，也是制備納米粒子的一種有效方法。當(dāng)水溶液中的熱響應(yīng)聚合物被加熱至其低臨界溶液溫度（LCST）以上時，聚合物分子鏈坍塌并聚集，形成穩(wěn)定的球形聚集體[7]。通過加熱制備聚合物納米粒子可分為兩種情況：具有可逆熱響應(yīng)行為的聚合物，通常需要利用無柄液滴蒸發(fā)方法來制備尺寸均一的納米粒子[8]；而具有不可逆熱響應(yīng)行為的弱電解質(zhì)聚合物，則只需在特定pH范圍內(nèi)通過加熱即可形成長期穩(wěn)定的納米粒子[9]。對于木質(zhì)素，其含有大量的羧基和酚羥基，屬于天然的弱電解質(zhì)聚合物。此外，早期Norgren等[10]的研究表明，在水中隨著溫度的升高，牛皮紙木質(zhì)素（KL）呈現(xiàn)出不可逆的聚集趨勢。基于以上分析，預(yù)計可在特定pH值范圍內(nèi)，采用簡單的加熱方法即可得到木質(zhì)素納米粒子。

提出了一種制備尺寸均勻的木質(zhì)素納米粒子的新方法。整個過程在單一的水介質(zhì)中進(jìn)行，避免了使用昂貴且對環(huán)境不友好的有機(jī)溶劑和表面活性劑。此外，為了更好理解木質(zhì)素納米粒子的形成機(jī)制，進(jìn)一步采用了ATR-FTIR、FTIR、紫外-可見光掃描光譜、差示掃描量熱等方法，對熱處理過程中木質(zhì)素與水以及木質(zhì)素分子間的相互作用變化進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

牛皮紙木質(zhì)素（Sigma-Aldrich，美國）。

1.2 牛皮紙木質(zhì)素（KL）溶液的制備

將1 g KL溶于300 mL的pH=12.0的去離子水中，然后使用0.05 mol/L的鹽酸調(diào)pH值至不同pH值，得到不同pH值條件下KL的溶液。取2 mL不同pH值條件下的KL溶液裝入EP管中，然后在80 ℃的水浴中加熱1 h得到不同pH值的HKL溶液。

1.3 不同pH值KL溶液的吸光度檢測

使用酶標(biāo)儀（BioTek Instruments Inc）測量KL和HKL溶液（木質(zhì)素濃度為3.3 g/L）在不同pH值下的吸光度。所有樣品靜置24 h后，取200 μL樣品（沉淀樣品取上層上清液）加入96微孔板中，在660 nm波長下測量每個孔的吸光度。

1.4 KL納米粒子的制備

取2 mL的調(diào)至預(yù)定pH值的KL溶液裝入EP管中，然后在60 ℃或80 ℃水浴鍋中加熱30 min，得到KL納米粒子。100、125和150 ℃條件下制備KL納米粒子時，則是取10 mL調(diào)至預(yù)定pH值的KL溶液裝入不銹鋼水熱反應(yīng)釜中，然后將反應(yīng)釜放入預(yù)定溫度的油浴鍋中加熱30 min。

1.5 ATR-FTIR

使用IRTracer-100紅外光譜儀（島津，日本）測量KL溶液紅外吸收光譜。用3.5 kDa的超濾管將KL溶液（2%，pH=6.8，KL溶液在此時表現(xiàn)出熱響應(yīng)現(xiàn)象）濃縮至約15%，在4 ℃條件下存儲24 h。然后將3 mL的樣品放入水浴鍋中加熱，每隔固定溫度取一滴樣品滴到金剛石晶體表面，以水作為背景，測量樣品在4 000～650 cm-1波長下的紅外吸收光譜。測量分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)20次。得到的紅外光譜統(tǒng)一進(jìn)行基線校正，歸一化和光滑處理。

1.6 DSC

用3.5 kDa的超濾管將KL溶液（2%，pH=6.8）濃縮至約5%。然后將約5 mg的樣品封閉在鋁制樣品盤中，在DSC掃描期間用干燥氮?dú)鉀_洗系統(tǒng)。溫標(biāo)根據(jù)環(huán)己烷和銦的熔點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。用相似質(zhì)量的水作為參比，升溫速度為10 ℃/min，掃描溫度區(qū)間為25～80 ℃，在80 ℃下保持20 min。

1.7 FTIR

使用IRTracer-100紅外光譜儀（島津，日本）測量粉末樣品的紅外吸收光譜。將濃縮KL和HKL溶液（15%，pH=6.8，加熱溫度80 ℃，加熱時間20 min）在-50 ℃凍干72 h，然后與溴化鉀混合研磨壓片（質(zhì)量比約1∶100），測量樣品在4 000～400 cm-1波長下的紅外吸收光譜，測量分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次。得到的紅外光譜統(tǒng)一進(jìn)行基線校正。

1.8 紫外-可見光掃描光譜和酸堿滴定

使用UH5300型紫外-可見光分光光度計（日立，日本），測量KL溶液在200～600 nm吸收光譜。測量前將KL溶液用去離子水稀釋至質(zhì)量濃度約0.01%。

酸堿滴定曲線在Metrohm888型電位滴定儀（Titrando，瑞士）上進(jìn)行。制備pH值為2.5的KL（木質(zhì)素∶水=1∶100）溶液，將得到的KL溶液在不同溫度的水浴中加熱20 min，然后在冰水中淬火，得到不同加熱時間的樣品。將KL溶液在80 ℃的水浴中加熱不同的時間，在冰水中淬火，得到加熱時間不同的樣品。所有樣品在4 ℃的冰箱中保存24 h后進(jìn)行測定。滴定終點(diǎn)為pH=11.0，滴定劑為0.1 mol/LNaOH溶液，滴定速率統(tǒng)一設(shè)定為0.8 mL/min。

1.9 水合粒徑和SEM

使用ZS90納米粒度儀（Malvern，英國）檢測木質(zhì)素納米粒子的水合粒徑（Dh）。參考之前報道的檢測方法。使用掃描電子顯微鏡（Zeiss，德國）表征木質(zhì)素和木質(zhì)素納米粒子的形態(tài)[11]，將KL和HKL溶液（離心洗滌三次）稀釋后取一滴到硅晶片上，然后室溫條件下干燥過夜。

2 結(jié)果與分析

2.1 KL納米粒子的表征

溶液的透過率可以反映溶質(zhì)的溶解狀態(tài)，如圖1a所示，KL溶液的透過率隨著pH值的變化而變化。這可以歸因于木質(zhì)素中帶電基團(tuán)在pH值降低時質(zhì)子化，導(dǎo)致靜電斥力減弱，木質(zhì)素聚集然后沉淀[12]。此外，觀察到在pH值為5.6到5.2之間的KL溶液和pH值為6.0到5.6之間的HKL溶液中，吸光度有所上升，但在24 h內(nèi)未見沉淀（圖1b），說明此時形成了在水中穩(wěn)定分散的KL聚集體。

表1顯示了不同pH值條件下得到的KL和HKL聚集體的水合粒徑（Dh）和多分散性指數(shù)（PDI）。可見，加熱后得到HKL聚集體的Dh大于KL聚集體，說明加熱導(dǎo)致KL聚集形成了更大的聚集體。此外，隨著pH值的降低，KL和HKL聚集體的Dh逐漸升高，PDI則呈先降低后升高的趨勢。在早期溶劑置換法制備木質(zhì)素納米粒子的研究中也觀察到了類似的現(xiàn)象，這可歸因于木質(zhì)素間的靜電斥力減弱[13]。值得注意的是，pH=5.8，HKL的Dh為129 nm，且PDI<0.2，說明此時可能形成了尺寸均勻的納米粒子。另一方面，隨著加熱溫度從60 ℃上升至150 ℃，KL納米粒子的Dh從289 nm逐漸降低至90 nm，PDI也隨溫度的升高而降低（圖2a），這可能歸因于在高過飽和條件下，KL溶液的成核速率更快，從而形成粒徑更小且更均勻的納米粒子[5]。

圖2b—f顯示了pH=5.8時KL和HKL納米粒子的SEM圖。可以觀察到，未加熱的KL樣品中出現(xiàn)大量的不規(guī)則的塊狀聚集體，與早期報道一致[14]。相比之下，經(jīng)過125和150 ℃加熱處理后的HKL樣品則呈均勻的球形顆粒狀。這進(jìn)一步證實(shí)了通過加熱可以得到形狀規(guī)則、尺寸均勻的木質(zhì)素納米粒子。另一方面，在80和100 ℃條件下加熱得到的KL納米粒子，其界面不清晰，并且SEM顯示的粒徑顯著小于其水合粒徑。這可能是在較低溫度下形成的納米粒子結(jié)構(gòu)相對松散，導(dǎo)致水分蒸發(fā)后納米粒子坍塌。此外，圖3顯示HKL納米粒子在存儲5天過程中，Dh維持在約90 nm不變，PDI均小于0.2，Zeta電位則保持在約-21 mV。這表明，通過加熱制備的木質(zhì)素納米粒子可以長時間保持在水中的分散狀態(tài)。由于KL納米粒子是通過加熱形成的，因此對木質(zhì)素的不可逆熱響應(yīng)現(xiàn)象的機(jī)理研究，將有助于更深入地了解KL納米粒子的形成機(jī)制。

2.2 木質(zhì)素與水的相互作用

在早期的研究中，Norgren等[10]將KL的熱響應(yīng)現(xiàn)象歸因于升溫促進(jìn)了木質(zhì)素中酚羥基質(zhì)的子化。然而，本研究在較低的pH值條件下也觀察到了KL的熱響應(yīng)現(xiàn)象。圖4顯示了pH為5.0、4.0和3.0條件下，KL和HKL溶液靜置24小時后的數(shù)字照片。可見，與未加熱的KL相比，加熱后的HKL溶液中木質(zhì)素相的體積顯著減小。這種現(xiàn)象與具有低臨界溶液溫度的聚合物的熱響應(yīng)行為相似[15]，說明溫度升高增強(qiáng)了KL的疏水作用，促使聚集體收縮并排水。此外，HKL的體積隨pH值的降低而減小，這表明KL之間的靜電斥力會阻礙KL的聚集和收縮，這與前文中pH值對納米粒子水合粒徑的影響一致。光學(xué)顯微鏡圖（圖4）顯示了相似的結(jié)果，加熱前KL溶液中存在大量透明的不規(guī)則的聚集體。加熱后這些聚集體收縮，導(dǎo)致顏色變深，并且進(jìn)一步聚集形成更大的聚集體。由于木質(zhì)素中酚羥基的解離常數(shù)約為10，因此木質(zhì)素的熱響應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)該不僅與其酚羥基的質(zhì)子化有關(guān)。

通常認(rèn)為，LCST型聚合物的熱響應(yīng)現(xiàn)象是由于其溶液中各組分間相互作用受溫度影響所致，包括聚合物與水以及聚合物間的相互作用[16]。木質(zhì)素中化學(xué)基團(tuán)與水的相互作用會引起化學(xué)鍵的振動變化，從而導(dǎo)致紅外光譜吸收帶的強(qiáng)度、波數(shù)或形狀發(fā)生改變[17-18]。圖5a顯示了KL粉末和溶液的ATR-FITR圖譜，表2列出了各波長和相對應(yīng)的化學(xué)鍵。KL溶于水后，在1 470～1 450 cm-1歸屬于-CH3和-CH2-的不對稱變形振動吸收峰出現(xiàn)藍(lán)移（圖5b），并且在1 465 cm-1處的肩峰增強(qiáng)，這是由于疏水基團(tuán)周圍的水氫鍵網(wǎng)絡(luò)傾向于壓縮C-H鍵，使其振動頻率升高所致[19]。此外，與粉末樣品相比KL溶液在1 170～1 110 cm-1處峰強(qiáng)度顯著降低（圖5a）。由于木質(zhì)素在此處的峰可歸屬于HGS單元以及C=O的拉伸和C-O-C的非對稱拉伸，因此這種差異可能源于木質(zhì)素中一些極性基團(tuán)與水形成氫鍵[17]。

圖5c和圖5d為KL溶液隨溫度變化的ATRFITR圖譜。可見，隨著溫度的上升，KL在1 465 cm-1處的肩峰紅移并減弱（圖5d），說明-CH3和-CH2-基團(tuán)與水的相互作用減弱，與早期報道的LCST型聚合物的現(xiàn)象一致[20]。圖5e是不同溫度下KL溶液ATR-FITR的差譜圖。可以觀察到，隨著溫度的升高KL在1 170～1 110 cm-1處的峰強(qiáng)度逐漸升高，這說明木質(zhì)素中極性基團(tuán)與水的氫鍵也在加熱過程中被破壞。這些現(xiàn)象表明，木質(zhì)素的熱響應(yīng)機(jī)制與傳統(tǒng)的熱敏性聚合物相似，可歸因于隨著溫度升高，疏水基團(tuán)溶劑化的不利熵增加，導(dǎo)致木質(zhì)素聚集體收縮并排水[16]。

2.3 木質(zhì)素分子間的相互作用

木質(zhì)素間的氫鍵、疏水相互作用和π-π堆積被認(rèn)為是維持木質(zhì)素在水中構(gòu)象穩(wěn)定的主要相互作用力[22-23]。氫鍵主要源于木質(zhì)素中極性基團(tuán)，如-OH和C=O等。其中C=O中的孤對電子與-OH中的質(zhì)子形成氫鍵，導(dǎo)致C=O的鍵長增加，因此形成氫鍵以后C=O的振動頻率會降低，紅外光譜的吸收帶紅移[24]。圖6a和圖6b顯示了，加熱前后的KL凍干樣品的紅外光譜圖。可見，加熱后1 600和1 638 cm-1處歸屬于木質(zhì)素的C=O伸縮振動帶向高波數(shù)移動，說明加熱并沒有促使木質(zhì)素間形成更多的氫鍵，反而破壞了原有的氫鍵體系。此外，紅外光譜還顯示，加熱后木質(zhì)素的-OH拉伸帶（3 700～3 000 cm-1）由扁平向更尖銳的形狀變化，這同樣說明加熱前木質(zhì)素間擁有更加復(fù)雜的氫鍵體系[25]。這種現(xiàn)象可能是由于加熱過程中木質(zhì)素間的疏水相互作用在與氫鍵的競爭中占主導(dǎo)地位[20]。

π-π堆積是木質(zhì)素間另外一個主要相互作用[26]。由于電子躍遷的能量變化，形成π-π堆積后，木質(zhì)素的紫外光譜在280 nm處歸屬于芳香族結(jié)構(gòu)π-π*躍遷的B帶會發(fā)生紅移[26-27]。圖6c顯示了加熱前后KL溶液的紫外-可見光掃描光譜。可見，KL溶液在280 nm處的峰并未產(chǎn)生位移變化，說明加熱后木質(zhì)素間也沒有形成額外的π-π堆積。這可能是由于形成的木質(zhì)素聚集體的結(jié)構(gòu)相對松散，而π-π堆積僅在短分子間距離內(nèi)起作用[28]。上述結(jié)果表明，在維持加熱后木質(zhì)素聚集體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，氫鍵和π-π堆積并非主要因素，疏水相互作用可能在其中占主導(dǎo)地位。這一推測可以通過DSC和酸-堿滴定結(jié)果印證。

圖6d顯示了KL溶液的變溫DSC曲線。可見，木質(zhì)素的熱響應(yīng)過程需要吸收熱量，這主要?dú)w因于結(jié)合水向散裝水轉(zhuǎn)變，即疏水相互作用[29]。相反，木質(zhì)素間形成新的氫鍵和π-π堆積需要釋放熱量[29-30]。因此，從能量角度來看，木質(zhì)素的熱響應(yīng)過程中分子間的疏水相互作用占主導(dǎo)地位。

另一方面，當(dāng)疏水溶質(zhì)聚集形成足夠大的疏水團(tuán)簇時，溶質(zhì)周圍的水分子密度會經(jīng)歷顯著的非高斯波動，形成固-氣-液界面[31]，導(dǎo)致聚合物塌陷和排水[32]。這會阻礙聚合物與水的接觸，導(dǎo)致帶電基團(tuán)去質(zhì)子化滯后[33]。圖6e和圖6f顯示了KL溶液的酸堿滴定曲線。可見，加熱后HKL曲線在pH=4.0附近上升的速度更快，并且pH=10.0則變得更平緩。這說明HKL中羧基和酚羥基的去質(zhì)子化出現(xiàn)滯后，木質(zhì)素分子間的疏水相互作用增強(qiáng)。除此之外，隨著加熱溫度的上升及加熱時間的延長，這種滯后現(xiàn)象也逐漸增強(qiáng)。這可歸因于疏水相互作用的尺寸效應(yīng)，即隨著溶質(zhì)的尺寸增加，在半徑約為1 nm處溶質(zhì)的溶解自由能從隨溶解體積線性增長變?yōu)殡S溶解表面積線性增長[34]。即疏水簇尺寸越大疏水相互作用越強(qiáng)[31]。同時，這也說明在更高加熱溫度和更長加熱時間下，木質(zhì)素聚集體收縮聚集形成了更大的疏水簇。

2.4 KL不可逆熱響應(yīng)行為的機(jī)理分析

疏水相互作用的尺寸效性還導(dǎo)致大尺寸疏水溶質(zhì)總是趨于聚集形成更大的疏水簇，以減少表面自由能[34]。對于KL而言，pH值為5.0～2.0，溶液中已經(jīng)出現(xiàn)沉淀。說明此時KL趨向于聚集或者收縮形成更大的疏水簇。換而言之，維持木質(zhì)素聚集體膨脹狀態(tài)的主要原因是動力學(xué)因素而非熱力學(xué)因素。這種動力學(xué)屏障可歸因于木質(zhì)素聚集形成的彈性網(wǎng)絡(luò)[35]。另一方面，隨著溫度升高，木質(zhì)素的疏水相互作用增強(qiáng)，克服了原有的動力學(xué)屏障，促使KL聚集體向能量更低的熱力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，即形成更大的疏水簇。因此，木質(zhì)素不可逆的熱響應(yīng)行為，可解釋為因疏水聚集導(dǎo)致木質(zhì)素的溶解自由能增加。

3 結(jié)論與討論

在早期的報道中，用于制備純木質(zhì)素納米粒子的方法主要有反溶劑法和酸沉淀法。與這兩種方法相比，本研究報道的方法具有顯著優(yōu)勢。首先，與反溶劑法相比，不需要使用價格高昂且有毒的有機(jī)溶劑。其次，與酸沉淀法相比，減少了對環(huán)境有害的酸的使用，并且制備的納米粒子形狀更加規(guī)則[13]。木質(zhì)素不僅來源廣泛、價格低廉，且具有抗氧化活性、抗紫外線和生物相容性，其納米粒子還具備高比表面積和可控形態(tài)優(yōu)勢。因此，預(yù)計HKL納米粒子在廢水處理、食品包裝以及皮克林乳液等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

對木質(zhì)素?zé)犴憫?yīng)機(jī)理的研究顯示，在加熱過程中，木質(zhì)素中-CH3和-CH2-的吸收峰發(fā)生紅移，說明與傳統(tǒng)LCST型聚合物相似，疏水基團(tuán)脫水是木質(zhì)素?zé)犴憫?yīng)的主要機(jī)制。FTIR、紫外光譜和DSC的結(jié)果顯示，加熱后木質(zhì)素間主要形成疏水相互作用，未觀察到更多的氫鍵和π-π堆積相互作用。綜上所述，木質(zhì)素的不可逆熱響應(yīng)現(xiàn)象機(jī)制可以描述為：在低溫下，木質(zhì)素聚集形成的動力學(xué)屏障克服了疏水基團(tuán)溶劑化帶來的不利熵效應(yīng)，從而維持了木質(zhì)素聚集體的膨脹狀態(tài)。隨著溫度的升高，疏水基團(tuán)溶劑化的不利熵逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致木質(zhì)素聚集體收縮和進(jìn)一步聚集形成更大且更穩(wěn)定的疏水簇。這項(xiàng)研究為木質(zhì)素納米粒子的制備提供新思路，并為木質(zhì)素的不可逆熱響應(yīng)現(xiàn)象提供新的見解。

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[本文編校：吳 毅]