本文展示了一种利用高可回收的固体二元羧酸绿色、可持续地制备高热稳定性和羧基化纤维素纳米晶体（CNC）及纳米纤丝（CNF）的新方法。
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摘要
摘要
本文展示了利用可高度循环使用的二元羧酸固体酸，从漂白桉木浆（BEP）和未漂白混合硬木硫酸盐浆（UMHP）纤维中制备出具有潜在低成本和环境友好特性的高热稳定性且带有羧基的纤维素纳米晶体（CNCs）和纳米纤维（CNF）。典型操作条件分别为：对于BEP，在100 °C下使用50–70 wt%酸浓度处理60分钟；对于UMHP，在120 °C（常压下无沸腾）下处理120分钟。所得CNCs的热降解温度高于其对应的原料纤维，羧酸基团含量为0.2–0.4 mmol/g。由于有机酸强度较低（pKa值较高，为1.0–3.0），所制得的CNCs长度更长，约为239–336 nm，且结晶度高于使用无机酸制备的CNCs。纤维素转化为糖的损失极小。二元羧酸水解后产生的纤维状纤维素固体残渣（FCSR）可通过后续低能耗机械纤化处理用于制备羧基化的CNFs。
引言
可持续的经济发展不仅需要使用可再生且可生物降解的原料，还需要采用绿色、环境友好的制造技术，以从这些可再生原料中生产多种生物产品和生物化学品。来源于可再生木质纤维素的纤维素纳米材料，如纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤丝（CNF），具有可生物降解性，并具备独特的力学和光学性能，适用于开发多种生物产品1, 2。然而，目前生产纤维素纳米材料的技术存在不足：纯机械纤化方法能耗高，而使用浓无机酸水解法3-8或氧化法9-11时，由于加工化学品无法回收或回收不充分，导致环境不可持续。此外，氧化法在与木质纤维素反应时还可能产生对环境有毒的化合物。因此，开发绿色制造技术以生产纤维素纳米材料，对于充分开发利用丰富且可再生的木质纤维素资源至关重要。
利用酸水解溶解半纤维素并使纤维素解聚是制备纤维素纳米材料的有效方法。固体酸已被用于从纤维素生产糖类，其优势在于便于酸的回收12, 13。以往使用浓无机酸的研究表明，较低的酸浓度可提高纤维素纳米晶体（CNC）的产率和结晶度3, 5。这表明强酸可能破坏纤维素晶体结构，而较温和的酸水解可能通过一体化生产CNC与纤维素纳米纤丝（CNF）的方法，改善纤维素纳米材料的性能和产率3, 14。本文记录了一种使用浓固态二元羧酸水解法同时制备CNC和CNF的方法15。这些二元羧酸在低温或常温下溶解度较低，因此可通过成熟的结晶技术轻松回收；同时在较高温度下具有良好的溶解性，使得无需沸腾或使用高压容器即可实现浓酸水解。由于这些酸的pKa值高于通常用于CNC制备的无机酸，因此所得CNC具有良好的结晶度；尽管CNC产率较低，但由于纤维素解聚不完全，仍会留下大量纤维状纤维素固体残渣（FCSR，即部分水解的纤维）。该FCSR可通过后续低能耗的机械纤化处理用于生产CNF。因此，与使用无机酸相比，纤维素转化为糖类的损失极小。
众所周知，羧酸可通过Fischer-Speier酯化反应使纤维素发生酯化16。将二元羧酸应用于纤维素可生成半酸性未交联的酯17（或称羧基化），从而制备出我们先前已证实的羧基化纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤丝（CNF）15。本文所记录的方法可利用漂白或未漂白纸浆制备出具有高结晶度、羧基化、热稳定性良好的CNF和CNC，同时具备相对简单的化学试剂回收过程和低能耗的特点。
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方案
注意：采用商业来源的漂白桉木硫酸盐浆（BEP）和未漂白混合硬木硫酸盐浆（UMHP）纤维作为生产纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤维（CNF）的原料。购买的市售马来酸用于水解反应。BEP 和 UMHP 的水解条件分别为：60 wt% 酸浓度、100 °C 下反应 60 分钟，以及 60 wt% 酸浓度、120 °C（常压下不沸腾）下反应 120 分钟。
1. 二羧酸浓缩溶液的制备
- 在加热板上的液体甘油浴中，将40 mL去离子水（DI）置于多颈烧瓶中加热至约85 °C。
- 向烧瓶中加入60 g无水马来酸，通过磁力搅拌配制成60 wt%的溶液。根据先前报道的酸溶液密度15，计算在指定质量浓度下配制酸溶液所需的水和酸的用量。
- 将溶液加热至所需的水解温度100 °C或120 °C（由于二元羧酸浓度较高，不会沸腾）。
2. 水解反应
- 当酸溶液达到指定温度后，在持续搅拌下，将10 g烘箱干燥（OD）的BEP或UMHP纤维加入80 mL二元羧酸溶液（1.1）中。
- 在预设的60分钟反应时间结束时，于加入160 mL 80 °C去离子水终止水解反应之前，取一份水解液样品（约2 mL）。
- 取0.5 mL所采集的水解液样品，用于糖和酸浓度分析。15 观察剩余水解液样品在冷却至室温过程中是否发生结晶。
- 使用布氏漏斗中的滤纸通过真空过滤将水解液与水解浆料分离。
注意：该分离操作需尽快完成，以免温度下降导致酸从溶液中开始结晶。由于酸溶液具有较高的离子强度，水解过程中生成的CNC会聚集，并与FCSR残留物一同保留。约80–90%的酸将随滤液被去除。
3. CNC 分离
- 用去离子水洗涤第2部分中的过滤后固体，并用去离子水稀释至总固体含量约为1%。将滤液在11,960 × g下离心10分钟。
- 倒出上清液。使用新鲜的去离子水重复洗涤和过滤过程，直至上清液出现浑浊。浑浊现象表明溶液的离子强度已降低至足以使纤维素纳米晶体（CNC）分散并开始形成胶体状态。
- 将浑浊的上清液与已沉淀的水解纸浆（2.3）混合。将混合物装入透析袋（截留分子量 14 kDa）中，使用去离子水透析，直至液体的电导率接近去离子水的电导率。使用电导率仪测量电导率。
- 将透析后的样品在3,500 × g离心10分钟，以获得水相中的纤维素纳米晶体分散液。保留沉淀相。 即, FCSR，用于CNF生产。
- 采用先前所述的化学需氧量（COD）方法，根据分散液中测得的CNC含量确定CNC产率 3, 18.
4. 纳米纤维素（CNF）的制备
- 分离CNC分散液后，通过重量法测定沉淀FCSR的产率。将FCSR在105 °C下干燥，并测量FCSR的绝干重量相对于所用BEP或UMHP纤维的初始绝干重量的比值。
- 将FCSR在0.5%的纤维悬浮液中进行机械纤化处理，先将悬浮液在100 MPa下连续通过200 µm孔径的腔室3次，随后在相同压力下通过87 µm孔径的腔室2次。
5. 原子力显微镜（AFM）成像
- 将浓度约为 0.01 wt% 的 CNC 或 CNF 悬浮液超声处理 2 分钟。取一滴分散后的悬浮液滴加至云母基底上，在室温下空气中自然干燥。
- 按照仪器制造商的操作规程，采用振动轻敲模式对干燥后的 CNC 和 CNF 进行原子力显微镜（AFM）成像。使用商业软件分析约 100 根单根 CNC 或 CNF 的 AFM 图像，获得其直径和长度分布。
6. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量
- 使用商用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）配合通用衰减全反射（ATR）探头，分析所得的纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤维（CNF）样品，以及原始的BEP和UMHP纤维，以鉴定酯基基团。
- 在450 - 4,000 cm-1波长范围内，以4 cm-1分辨率对每个样品进行4次扫描，记录样品的吸收光谱。
7. 电导滴定
- 采用电导滴定法测定经二元羧酸酯化反应所得样品中羧基含量。
- 将含50 mg（绝干量）CNC或CNF的悬浮液加入120 mL 1 mM NaCl溶液中。以约0.2 mL的2 mM NaOH溶液，每隔30秒滴定一次。
- 使用电导率仪测量电导率。在滴加NaOH过程中，找出电导率曲线上的拐点（最低点）。
- 根据滴定至拐点时消耗的NaOH量，利用以下公式计算羧基含量（mmol/L），其中c为NaOH溶液浓度（mol/L），v为所加NaOH溶液体积（mL），m为CNC或CNF的绝干质量（g）。
8. CNC 和 CNF 的热稳定性测定
- 采用热重分析法（TGA）对CNC和CNF样品进行热降解性能测定。
- 使用高纯度氮气以20 mL/min的流速吹扫炉膛，防止发生非预期的氧化分解。测试前在50 °C下将样品干燥4小时。使用5 mg（干重）的样品量。
- 以10 °C/min的升温速率将炉温从室温升至600 °C，记录样品质量的变化。
- 将测得的质量损失相对于初始质量进行归一化处理。
- 在105 °C的烘箱中对CNC和CNF样品分别进行独立的热稳定性测试。通过常规摄影记录样品在4小时和24小时后的颜色变化。
9. X射线衍射
- 按照先前所述方法5，将冻干的CNC或CNF样品在180 MPa压力下压制成片。使用X射线衍射仪，以Cu-Kα辐射，在2θ范围为10 - 38°、步长0.02°的条件下对片剂进行广角X射线衍射测量。
- 采用Segal法19（无需基线校正）计算片剂的结晶度指数（CrI）。
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结果
BEP和UMHP来源的纤维素纳米晶体（CNC）与纤维素纳米纤维（CNF）的典型原子力显微镜（AFM）图像，以及对应原料酸水解纤维的扫描电子显微镜（SEM）图像分别如图1和图2所示。图像清晰显示，酸水解显著缩短了纤维长度，而纤维直径变化较小（比较图1a与1b，以及图2a与2b）。纤维长度的缩短也反映在水解后纤维测得的纤维素聚合度（DP）降低上。BEP和UMHP样品的DP分别从1,021和806降至319和342。从水解纤维中分离得到的CNC，其长度和直径相较于文献中报道的浓硫酸法制备的CNC典型尺寸5相对更大，这可能是由于马来酸的酸性较弱所致。通过AFM图像测得的两种样品的CNC平均长度和直径分别为：如图1c所示样品为239 nm和33 nm，如图2c所示样品为336 nm和39 nm。
马来酸...
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讨论
尽管上述讨论中指出马来酸水解得到的BEP和UMHP来源的纤维素纳米晶体（CNC）具有较长的长度，但由于其CNC直径较粗，导致平均长径比分别为7.24和8.53。而纤维素纳米纤丝（CNF）具有更长的长度和更小的直径，因此其长径比显著更高，BEP和UMHP来源的CNF长径比分别为13.9和19.0，均高于各自对应的CNC。由于本研究中微流化处理所用压力较低，因此有可能通过更强烈的机械纤化处理进一步减小CNF的直径，从而提升其长径比。
在来自UMHP的CNC样品中可见木质素颗粒。木质素还应与CNC颗粒发生化学结合。在今后的研究中，考察木质素对表面疏水性的影响将有助于多种应用，这将十分有意义。
由于含有羧基，CNC 样品易于分散，如图 1c和图 2c所示，这有利于其在水相中的加工。通过zeta电位测得的表面电荷分别为：BEP来源的CNC为-13 mV，UMHP来源的CNC为-34 mV。
CNC和CNF样品的热稳...
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披露
Chen 和 Zhu 是一项美国专利申请的共同发明人，该专利申请涉及使用二羧酸生产纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤维（CNF）。
致谢
本工作是在卞、陈和王作为访问博士生期间，于美国林务局森林产品实验室（FPL，威斯康星州麦迪逊市）开展的，同时朱在该期间处于其政府公务时间。本工作部分得到了美国农业部农业与食品研究计划（AFRI）竞争性资助（项目编号：2011-67009-20056）、中国国家林业局（项目编号：2015-4-54）、国家自然科学基金委员会（项目编号：31470599）、中国广州市精英项目以及国家留学基金的支持。上述项目的资助使得卞、陈和王在FPL的访问得以实现。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 漂白桉木浆 | Aracruz Cellulose | ||
| 未漂白混合硬木硫酸盐浆 | International Paper | ||
| 马来酸 | Sigma-Aldrich | M0375-1KG/CAS110-16-7 | 粉末；纯度：99.0%（HPLC） |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G5516-4L/CAS56-81-5 | |
| 氢氧化钠 | Fisher Scientific | S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8 | 符合ACS标准 |
| 氯化钠 | Mallinckrodt | 7581-12/CAS7647-14-5 | 晶体，分析纯 |
| 铜乙二胺溶液 | GFS Chemicals | E32103-1L/CAS14552-35-3 | 1 M，用于测定纸浆溶液黏度 |
| 丙酮 | Fisher Scientific | A18-500/CAS67-64-1 | 符合ACS标准 |
| Accu-TestTM COD测定管 | Bioscience,Inc. | 01-215-28 | COD测定范围：20 至 900 mg/L 标准浓度范围 |
| 加热板 | IKA | 型号：C-MAD HS7 数字式 | |
| 磁力搅拌子 | ACE Glass | ||
| Pyrex三口圆底烧瓶 | Sigma-Aldrich | CLS4965B500-1EA | |
| 透析袋纤维素膜 | Sigma-Aldrich | D9402-100FT | 典型截留分子量 = 14,000 kDa |
| 一次性铝制培养皿 | Sigma-Aldrich | Z154857-1PAK | 圆形，60 mm |
| 碎浆机 | Testing Machines Inc.(TMI) | ||
| 微流化器 | Microfluidics Corporation | ||
| 超声波破碎仪 | Qsonica LLC. | 型号：3510R-MT，50-60 Hz，180 W | |
| Zeta电位分析仪 | Brookhaven Instruments Corporation | ||
| 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR） | PerkinElmer | ||
| 电导滴定仪 | Yellow Springs Instrument (YSI) | ||
| 热重分析仪（TGA） | PerkinElmer | ||
| X射线衍射仪 | Bruker Corporation | ||
| 原子力显微镜成像（AFM） | AFM Workshop | ||
| 扫描电子显微镜成像（SEM） | Carl Zeiss |
参考文献
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