多羧基纤维素纳米晶的制备与性能研究

　　摘 要：采用乙二胺四乙酸二酐(EDTAD)酯化法制备表面羧基含量及羟基取代度可控的多羧基化纤维素纳米晶(ECNC)，并通过改变酯化条件，优化实验结果;通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、电导滴定、X射线衍射(XRD)、元素分析、Zeta电位等对ECNC进行分析。结果表明，ECNC保持了CNC的形貌和结晶结构完整性，并且在水和磷酸盐(PBS)缓冲溶液中的分散性较CNC显著提高;同时，通过改变酯化反应条件可控制ECNC表面羧基含量及羟基取代度。该ECNC颗粒有望用于高性能复合纳米材料的制备及功能化纳米复合颗粒的制备中。

　　关键词：纤维素纳米晶;EDTAD酯化法;TEMPO氧化法;分散性

　　《化工时刊》创刊于1987年，是全国首创的化学化工综合信息月刊，经过试刊，和江苏省准印期刊，于1991年经国家科委批准为国内外公开发行的正式期刊，取得国内统一刊号和国际标准刊号。

　　纤维素是自然界中储量最为丰富的可再生有机材料。纤维素经硫酸水解处理后可得到纤维素纳米晶(CNC)。CNC具有优异的生物相容性及力学性能、纳米级尺寸、高比表面积、丰富的羟基含量、可再生等优点，因而被广泛应用于聚合物增强材料、吸附材料、药物输送等领域[1-5]。然而，由于CNC表面富含活性羟基而易引起范德华力和分子内及分子间氢键的产生，故CNC在溶液中易聚集沉降并且很难用物理方法将其再分散，极大限制了其应用范围[6]。因此，通过将CNC表面修饰改性以改善其表面性能，进而提高其在溶液中的分散性和稳定性，是拓宽CNC应用前景常见并且重要的方法。

　　化学修饰改性法包括氧化法、酯化法、阳离子化法等，可将CNC表面的羟基改造成所需的目标基团[7-9]。在这些修饰方法中，羧基化修饰由于能提高CNC的分散性和稳定性并赋予其活性羧基而受到广泛关注[10]。四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)氧化法就是其中一种常用的CNC羧基化方法。但是，CNC表面上羟基的反应活性顺序为C6—OH>C2—OH>C3—OH，TEMPO氧化法只能将CNC表面的C6—OH氧化，得到单羧基化的纤维素纳米晶(TOCN)[11]，这意味着TOCN表面的羧基含量少且不容易控制。而CNC表面基团的含量及取代度可控可优化其应用效果，如表面羟基取代度高达80%的炔基化CNC能够提高自身与纳米粒子的相容性和界面黏附性，从而能较好地分散在复合材料中，进而提高复合材料的强度和硬度[12];而表面具有低芳香环含量的CNC膜可以调控自身与水的接触角，角度高达96°，这一结果使该膜能够有效地控制水和有机气体的通过[13]。因此，CNC羧基含量及羟基取代度可控的实现显得尤为重要。

　　为了弥补TEMPO氧化法的不足，本研究提出一种CNC表面羧基化的新方法，即乙二胺四乙酸二酐(EDTAD)酯化法。该法可将CNC表面上C6、C2和C3位的羟基分别酯化为羧基，得到多羧基化CNC(ECNC)。该方法不仅可以改善CNC的分散性，还可以使CNC表面的羧基含量及羟基取代度可控。此外，EDTAD是一种螯合剂，含有丰富的羧酸官能团[14]，能与金属离子发生螯合作用，还可以延长顺铂在血液中的循环时间而不影响其疗效[15]，大大拓宽了CNC的应用领域。

　　1 实 验

　　1.1 原料与仪器

　　棉短绒由潍坊盈丰棉业有限公司(中国)提供;EDTAD、TEMPO和碳酸钾(K2CO3)购于阿拉丁试剂有限公司;浓硫酸、盐酸、次氯酸钠(NaClO)、溴化钠(NaBr)、乙醇、NaOH、Na2HPO4、NaH2PO4、丙酮购于国药集团化学试剂有限公司;N，N-二甲基甲酰胺(DMF，99.8%)购于天津科密欧化学试剂有限公司。

　　使用Nicolet-iS5 FT-IR仪器(Nicolet;Thermo Fisher Scientific，Madison，WI 53711，美國)表征样品改性效果，波数扫描范围为400～4000 cm-1;为表征ECNC结晶度变化，使用D/Max-IIIA X射线衍射仪(Rigaku Denki，日本)，Cu辐射(λ=0.02 nm)，在40 kV和60 mA下对样品干粉进行X射线测量，衍射角在5°～60°之间;使用JEM 1200EX 透射电子显微镜(JEOL，日本)、在120 kV下观察样品形貌并拍照;使用元素分析仪 Vario EL Cube Analyzer (Elementar，德国)测量样品氮元素的含量，进而计算出样品的羟基取代度(DS);使用STARTER 3100C(OHAUS，美国)电导滴定仪测试样品表面羧基含量;通过Zetasizer Nano ZS90(Malvern Instruments Ltd.，Worcestershire，英国)表征样品的分散性和稳定性。

　　1.2 CNC的制备

　　根据文献[16]报道方法，利用棉短绒制备CNC。将25 g棉短绒浸入1000 mL 2 wt%的NaOH溶液中，并在300 r/min下搅拌12 h，然后用蒸馏水过滤洗涤多次直至棉短绒pH值为7，随后在45℃烘箱中烘干;取12.5 g上述处理的棉短绒，加入装有250 mL 64 wt%硫酸的三口烧瓶中，在45℃、300 r/min下搅拌反应1 h，然后将悬浮液在冰水中冷却并用蒸馏水连续离心洗涤5次，透析5天后冷冻干燥，得到CNC粉末。

　　1.3 ECNC的制备及工艺优化

　　ECNC的制备过程如图1所示[17]。为优化ECNC性能，本实验从改变EDTAD用量及反应时间2个方面对所得ECNC进行研究。

　　1.3.1 改变EDTAD用量

　　取0.5 g CNC、35 mL DMF于50 mL干燥锥形瓶中，使用超声波细胞粉碎机分散3 min，密封，然后超声波清洗仪分散15 min 后转移至250 mL 的干燥三

　　口烧瓶中，密封;称取一定量EDTAD (其用量分别为1.5、3.0、7.5、15和30 mmol，分别对应CNC表面羟基摩尔量的2、4、10、20、40倍，相对于未改性CNC)溶于50～100 mL DMF 中，密封，超声波处理5～30 min，然后在密封条件下室温搅拌30～60 min 后，于75℃、N2气流保护条件下使用分液滴定装置缓慢加入至250 mL三口烧瓶中，磁力搅拌反应48 h，期间一直通N2保护;反应结束后，将悬浮液离心分离，取下层白色沉淀产品，然后用DMF、10 wt%的Na2CO3水溶液、蒸馏水依次离心洗涤后将产品加入到30～50 mL 蒸馏水中，用0.1 mol/L稀盐酸调节pH值至4～6，磁力搅拌45 min 左右，离心，然后再依次用蒸馏水、95%乙醇、丙酮各洗涤一次，随后将产物冷冻干燥，得到面粉状白色产物ECNC。根据EDTAD的用量，所得ECNC分别命名为ECNC/2、ECNC/4、ECNC/10、ECNC/20、ECNC/40。

　　1.3.2 改变反应时间

　　EDTAD用量7.5 mmol，催化剂K2CO3用量20.7 mg，将反应时间48 h分别改变为24 和96 h进行实验，其余操作步骤均与1.3.1中方法步骤相同。所得ECNC分别命名为ECNC/10/24 h、ECNC/10/96 h。

　　1.4 TOCN的制备

　　为突出EDTAD酯化法所得ECNC的优势，本实验根据文献[16，18-19]中的方法制备了TOCN以进行性能分析对比。TOCN的制备方法比较成熟，常用TEMPO/NaClO/NaBr氧化法制备，反应过程如图2所示。①将0.5 g CNC分散在50 mL蒸馏水中，超声分散30 min形成均匀分散的悬浮液后加入162 mg NaBr(1.57 mmol)并进行磁力搅拌;②将14.75 mg TEMPO(0.094 mmol)溶解在50 mL蒸馏水中后加入到CNC悬浮液中;③将2.48 g 14.5 wt%的NaClO(4.84 mmol)溶液缓慢滴加到步骤②形成的悬浮液中并保持pH值在10左右;④滴加完毕后，在室温下搅拌反应4 h，期间用0.5 mol/L的NaOH溶液调节反应液的pH值，使其保持在10左右;⑤氧化反应结束后，加入1 mL乙醇终止反应，离心去除上层清液，将下层沉淀放入50 mL蒸馏水中搅拌使其分散均匀，在磁力搅拌下将1 mol/L的盐酸溶液缓慢加入到该悬浮液中，保持pH 值5～6，反应45 min;⑥将所得悬浮液离心洗涤3～5次，冷冻干燥后得到TOCN。

　　为研究提高表面羧基含量后TOCN的性能变化情况，改变反应过程③中NaClO的加入量(4.84、9.68、24.2、48.4、96.8 mmol)，得到的TOCN分别命名为TOCN/1、TOCN/2、TOCN/5、TOCN/10、TOCN/20。

　　2 结果与讨论

　　2.1 ECNC和TOCN结构分析

　　通过傅里叶变换红外光谱分析对CNC表面的氧化、酯化反应结果进行表征，结果如图3所示。从图3可看出，ECNC/40和TOCN/20均在1743和1735 cm-1附近出现了归属于酯羧基(—CO)的伸缩振动峰，表明利用 EDTAD酯化法和TEMPO氧化法可成功制备羧基化CNC。同时，3400和2900 cm-1处出现的伸缩振动峰分别归属于CNC的ν(—OH)峰和ν(—CH)峰，1640 cm-1处的伸缩振动峰归属于CNC样品包含的水分子吸收峰。

　　2.2 改性前后CNC形貌分析

　　在确定CNC表面羧基化改性成功后，通过透射电子显微镜(TEM)对CNC改性前后的形貌与尺寸进行分析表征，结果如图4所示。由图4可知，CNC、TOCN/20和ECNC/40均为针棒状结构，长度均分布在50～200 nm，粒徑10～20 nm，可见两种羧基化改性方法均未对CNC的形貌造成影响。

　　2.3 ECNC和TOCN表面羧基含量分析

　　本研究使用电导滴定法计算不同反应条件下ECNC和TOCN表面的羧基含量(n—COOH)。计算公式如下：

　　n—COOH=(V2-V1)Cω

　　(1)式中，C为NaOH溶液浓度(0.03 mol/L)，V2和V1为电导滴定曲线转折点开始和结束时NaOH溶液的体积(L)，ω为样品的质量(g)。

　　ECNC和TOCN表面羧基含量见图5。由图5(a)可以看出，随着NaClO用量增加，TOCN表面羧基含量逐渐增加，最高可达1.2 mmol/g，但羧基增加量与NaClO用量之间明显不呈线性关系，主要原因是CNC表面C6—OH含量有限且晶体表面存在空间位阻，使反应受限。随着EDTAD用量增加，ECNC表面羧基含量逐渐增加(图5(b))，但ECNC表面羧基增加量与EDTAD用量之间也不呈线性关系，主要是因为CNC吡喃环的C2和C3位上羟基的反应活性较低，因此，当CNC表面上的C6—OH完全反应后，随着EDTAD用量增加，ECNC表面羧基含量的增加速率降低，最高可达1.4 mmol/g。同时，由图5(c)可见，随着反应时间的延长，ECNC表面羧基含量呈先上升、后下降的趋势。在反应24 h时，ECNC表面羧基含量为0.52 mmol/g。随着反应时间的延长，其表面羧基含量进一步增加至最高值，但继续延长反应时间发现，ECNC表面羧基含量下降至0.75 mmol/g，这可能是由于一方面受到空间位阻及反应平衡的影响，在反应一段时间后，CNC表面的EDTAD含量趋于稳定，不随时间的延长而继续增加;另一方面，随着反应时间的延长，部分CNC表面的EDTAD活性羧基与其他CNC表面羟基发生了反应，从而降低了ECNC表面活性羧基的含量。最后，比较EDTAD酯化法和TEMPO氧化法可以发现，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。