多羧基纖維素納米晶的制備與性能研究

　　摘 要：采用乙二胺四乙酸二酐(EDTAD)酯化法制備表面羧基含量及羥基取代度可控的多羧基化纖維素納米晶(ECNC)，并通過改變酯化條件，優化實驗結果;通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、透射電子顯微鏡(TEM)、電導滴定、X射線衍射(XRD)、元素分析、Zeta電位等對ECNC進行分析。結果表明，ECNC保持了CNC的形貌和結晶結構完整性，并且在水和磷酸鹽(PBS)緩沖溶液中的分散性較CNC顯著提高;同時，通過改變酯化反應條件可控制ECNC表面羧基含量及羥基取代度。該ECNC顆粒有望用于高性能復合納米材料的制備及功能化納米復合顆粒的制備中。

　　關鍵詞：纖維素納米晶;EDTAD酯化法;TEMPO氧化法;分散性

　　《化工時刊》創刊于1987年，是全國首創的化學化工綜合信息月刊，經過試刊，和江蘇省準印期刊，于1991年經國家科委批準為國內外公開發行的正式期刊，取得國內統一刊號和國際標準刊號。

　　纖維素是自然界中儲量最為豐富的可再生有機材料。纖維素經硫酸水解處理后可得到纖維素納米晶(CNC)。CNC具有優異的生物相容性及力學性能、納米級尺寸、高比表面積、豐富的羥基含量、可再生等優點，因而被廣泛應用于聚合物增強材料、吸附材料、藥物輸送等領域[1-5]。然而，由于CNC表面富含活性羥基而易引起范德華力和分子內及分子間氫鍵的產生，故CNC在溶液中易聚集沉降并且很難用物理方法將其再分散，極大限制了其應用范圍[6]。因此，通過將CNC表面修飾改性以改善其表面性能，進而提高其在溶液中的分散性和穩定性，是拓寬CNC應用前景常見并且重要的方法。

　　化學修飾改性法包括氧化法、酯化法、陽離子化法等，可將CNC表面的羥基改造成所需的目標基團[7-9]。在這些修飾方法中，羧基化修飾由于能提高CNC的分散性和穩定性并賦予其活性羧基而受到廣泛關注[10]。四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)氧化法就是其中一種常用的CNC羧基化方法。但是，CNC表面上羥基的反應活性順序為C6—OH>C2—OH>C3—OH，TEMPO氧化法只能將CNC表面的C6—OH氧化，得到單羧基化的纖維素納米晶(TOCN)[11]，這意味著TOCN表面的羧基含量少且不容易控制。而CNC表面基團的含量及取代度可控可優化其應用效果，如表面羥基取代度高達80%的炔基化CNC能夠提高自身與納米粒子的相容性和界面黏附性，從而能較好地分散在復合材料中，進而提高復合材料的強度和硬度[12];而表面具有低芳香環含量的CNC膜可以調控自身與水的接觸角，角度高達96°，這一結果使該膜能夠有效地控制水和有機氣體的通過[13]。因此，CNC羧基含量及羥基取代度可控的實現顯得尤為重要。

　　為了彌補TEMPO氧化法的不足，本研究提出一種CNC表面羧基化的新方法，即乙二胺四乙酸二酐(EDTAD)酯化法。該法可將CNC表面上C6、C2和C3位的羥基分別酯化為羧基，得到多羧基化CNC(ECNC)。該方法不僅可以改善CNC的分散性，還可以使CNC表面的羧基含量及羥基取代度可控。此外，EDTAD是一種螯合劑，含有豐富的羧酸官能團[14]，能與金屬離子發生螯合作用，還可以延長順鉑在血液中的循環時間而不影響其療效[15]，大大拓寬了CNC的應用領域。

　　1 實 驗

　　1.1 原料與儀器

　　棉短絨由濰坊盈豐棉業有限公司(中國)提供;EDTAD、TEMPO和碳酸鉀(K2CO3)購于阿拉丁試劑有限公司;濃硫酸、鹽酸、次氯酸鈉(NaClO)、溴化鈉(NaBr)、乙醇、NaOH、Na2HPO4、NaH2PO4、丙酮購于國藥集團化學試劑有限公司;N，N-二甲基甲酰胺(DMF，99.8%)購于天津科密歐化學試劑有限公司。

　　使用Nicolet-iS5 FT-IR儀器(Nicolet;Thermo Fisher Scientific，Madison，WI 53711，美國)表征樣品改性效果，波數掃描范圍為400～4000 cm-1;為表征ECNC結晶度變化，使用D/Max-IIIA X射線衍射儀(Rigaku Denki，日本)，Cu輻射(λ=0.02 nm)，在40 kV和60 mA下對樣品干粉進行X射線測量，衍射角在5°～60°之間;使用JEM 1200EX 透射電子顯微鏡(JEOL，日本)、在120 kV下觀察樣品形貌并拍照;使用元素分析儀 Vario EL Cube Analyzer (Elementar，德國)測量樣品氮元素的含量，進而計算出樣品的羥基取代度(DS);使用STARTER 3100C(OHAUS，美國)電導滴定儀測試樣品表面羧基含量;通過Zetasizer Nano ZS90(Malvern Instruments Ltd.，Worcestershire，英國)表征樣品的分散性和穩定性。

　　1.2 CNC的制備

　　根據文獻[16]報道方法，利用棉短絨制備CNC。將25 g棉短絨浸入1000 mL 2 wt%的NaOH溶液中，并在300 r/min下攪拌12 h，然后用蒸餾水過濾洗滌多次直至棉短絨pH值為7，隨后在45℃烘箱中烘干;取12.5 g上述處理的棉短絨，加入裝有250 mL 64 wt%硫酸的三口燒瓶中，在45℃、300 r/min下攪拌反應1 h，然后將懸浮液在冰水中冷卻并用蒸餾水連續離心洗滌5次，透析5天后冷凍干燥，得到CNC粉末。

　　1.3 ECNC的制備及工藝優化

　　ECNC的制備過程如圖1所示[17]。為優化ECNC性能，本實驗從改變EDTAD用量及反應時間2個方面對所得ECNC進行研究。

　　1.3.1 改變EDTAD用量

　　取0.5 g CNC、35 mL DMF于50 mL干燥錐形瓶中，使用超聲波細胞粉碎機分散3 min，密封，然后超聲波清洗儀分散15 min 后轉移至250 mL 的干燥三

　　口燒瓶中，密封;稱取一定量EDTAD (其用量分別為1.5、3.0、7.5、15和30 mmol，分別對應CNC表面羥基摩爾量的2、4、10、20、40倍，相對于未改性CNC)溶于50～100 mL DMF 中，密封，超聲波處理5～30 min，然后在密封條件下室溫攪拌30～60 min 后，于75℃、N2氣流保護條件下使用分液滴定裝置緩慢加入至250 mL三口燒瓶中，磁力攪拌反應48 h，期間一直通N2保護;反應結束后，將懸浮液離心分離，取下層白色沉淀產品，然后用DMF、10 wt%的Na2CO3水溶液、蒸餾水依次離心洗滌后將產品加入到30～50 mL 蒸餾水中，用0.1 mol/L稀鹽酸調節pH值至4～6，磁力攪拌45 min 左右，離心，然后再依次用蒸餾水、95%乙醇、丙酮各洗滌一次，隨后將產物冷凍干燥，得到面粉狀白色產物ECNC。根據EDTAD的用量，所得ECNC分別命名為ECNC/2、ECNC/4、ECNC/10、ECNC/20、ECNC/40。

　　1.3.2 改變反應時間

　　EDTAD用量7.5 mmol，催化劑K2CO3用量20.7 mg，將反應時間48 h分別改變為24 和96 h進行實驗，其余操作步驟均與1.3.1中方法步驟相同。所得ECNC分別命名為ECNC/10/24 h、ECNC/10/96 h。

　　1.4 TOCN的制備

　　為突出EDTAD酯化法所得ECNC的優勢，本實驗根據文獻[16，18-19]中的方法制備了TOCN以進行性能分析對比。TOCN的制備方法比較成熟，常用TEMPO/NaClO/NaBr氧化法制備，反應過程如圖2所示。①將0.5 g CNC分散在50 mL蒸餾水中，超聲分散30 min形成均勻分散的懸浮液后加入162 mg NaBr(1.57 mmol)并進行磁力攪拌;②將14.75 mg TEMPO(0.094 mmol)溶解在50 mL蒸餾水中后加入到CNC懸浮液中;③將2.48 g 14.5 wt%的NaClO(4.84 mmol)溶液緩慢滴加到步驟②形成的懸浮液中并保持pH值在10左右;④滴加完畢后，在室溫下攪拌反應4 h，期間用0.5 mol/L的NaOH溶液調節反應液的pH值，使其保持在10左右;⑤氧化反應結束后，加入1 mL乙醇終止反應，離心去除上層清液，將下層沉淀放入50 mL蒸餾水中攪拌使其分散均勻，在磁力攪拌下將1 mol/L的鹽酸溶液緩慢加入到該懸浮液中，保持pH 值5～6，反應45 min;⑥將所得懸浮液離心洗滌3～5次，冷凍干燥后得到TOCN。

　　為研究提高表面羧基含量后TOCN的性能變化情況，改變反應過程③中NaClO的加入量(4.84、9.68、24.2、48.4、96.8 mmol)，得到的TOCN分別命名為TOCN/1、TOCN/2、TOCN/5、TOCN/10、TOCN/20。

　　2 結果與討論

　　2.1 ECNC和TOCN結構分析

　　通過傅里葉變換紅外光譜分析對CNC表面的氧化、酯化反應結果進行表征，結果如圖3所示。從圖3可看出，ECNC/40和TOCN/20均在1743和1735 cm-1附近出現了歸屬于酯羧基(—CO)的伸縮振動峰，表明利用 EDTAD酯化法和TEMPO氧化法可成功制備羧基化CNC。同時，3400和2900 cm-1處出現的伸縮振動峰分別歸屬于CNC的ν(—OH)峰和ν(—CH)峰，1640 cm-1處的伸縮振動峰歸屬于CNC樣品包含的水分子吸收峰。

　　2.2 改性前后CNC形貌分析

　　在確定CNC表面羧基化改性成功后，通過透射電子顯微鏡(TEM)對CNC改性前后的形貌與尺寸進行分析表征，結果如圖4所示。由圖4可知，CNC、TOCN/20和ECNC/40均為針棒狀結構，長度均分布在50～200 nm，粒徑10～20 nm，可見兩種羧基化改性方法均未對CNC的形貌造成影響。

　　2.3 ECNC和TOCN表面羧基含量分析

　　本研究使用電導滴定法計算不同反應條件下ECNC和TOCN表面的羧基含量(n—COOH)。計算公式如下：

　　n—COOH=(V2-V1)Cω

　　(1)式中，C為NaOH溶液濃度(0.03 mol/L)，V2和V1為電導滴定曲線轉折點開始和結束時NaOH溶液的體積(L)，ω為樣品的質量(g)。

　　ECNC和TOCN表面羧基含量見圖5。由圖5(a)可以看出，隨著NaClO用量增加，TOCN表面羧基含量逐漸增加，最高可達1.2 mmol/g，但羧基增加量與NaClO用量之間明顯不呈線性關系，主要原因是CNC表面C6—OH含量有限且晶體表面存在空間位阻，使反應受限。隨著EDTAD用量增加，ECNC表面羧基含量逐漸增加(圖5(b))，但ECNC表面羧基增加量與EDTAD用量之間也不呈線性關系，主要是因為CNC吡喃環的C2和C3位上羥基的反應活性較低，因此，當CNC表面上的C6—OH完全反應后，隨著EDTAD用量增加，ECNC表面羧基含量的增加速率降低，最高可達1.4 mmol/g。同時，由圖5(c)可見，隨著反應時間的延長，ECNC表面羧基含量呈先上升、后下降的趨勢。在反應24 h時，ECNC表面羧基含量為0.52 mmol/g。隨著反應時間的延長，其表面羧基含量進一步增加至最高值，但繼續延長反應時間發現，ECNC表面羧基含量下降至0.75 mmol/g，這可能是由于一方面受到空間位阻及反應平衡的影響，在反應一段時間后，CNC表面的EDTAD含量趨于穩定，不隨時間的延長而繼續增加;另一方面，隨著反應時間的延長，部分CNC表面的EDTAD活性羧基與其他CNC表面羥基發生了反應，從而降低了ECNC表面活性羧基的含量。最后，比較EDTAD酯化法和TEMPO氧化法可以發現，EDTAD/40酯化法所得的ECNC表面羧基含量略高于TEMPO氧化法所得的TOCN/20。