Stabilization and rheological behavior of Miscanthus floridulus cellulose nanofibril prepared by TEMPO-mediated oxidation

TEMPO，质量分数为98%，阿拉丁试剂公司；次氯酸钠（NaClO），质量分数为74.44%，北京百灵威科技有限公司；溴化钠（NaBr），分析纯，华蓝化学有限公司；氢氧化钠（NaOH），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；盐酸（HCl），分析纯，阿拉丁试剂公司；氯化钠（NaCl），分析纯，南京化学试剂有限公司；五节芒纤维素，自制^[6]。高压均质机，AH-BASIC，ATS工业系统（上海）有限公司；Zeta电位及粒度分析仪，ZetaPALS，美国Brookhaven公司；应变控制型旋转流变仪，ARES-G2，美国TA公司；pH计，CT-6021A，深圳市柯迪达电子有限公司。

将五节芒粉末用蒸馏水浸泡，在70 ℃恒温下用磁力搅拌器搅拌，待它们变为黄色后用去离子水洗涤抽滤，除去水溶性杂质；再将所得固体与0.90 mol·L^-1的氢氧化钾（KOH）溶液混合，在水浴中加热至90 ℃搅拌反应4 h，除去半纤维素，用大量去离子水洗至中性进行抽滤，得到黄色絮状物；之后，再将黄色絮状物用无水乙醇浸没，磁力搅拌4 h，除去蜡层，以利于抽滤，抽滤产物浸入0.15 mol·L^-1亚氯酸钠溶液，用醋酸调节到pH 3~4，在70 ℃水浴下搅拌5 h，抽滤，用去离子水洗至中性得到白色固体，烘干可得五节芒纤维素^[6]。

称取一定量五节芒纤维素置于蒸馏水中浸泡2 d，搅碎，加入TEMPO与溴化钠混合，至TEMPO完全溶解（红色消失），再将次氯酸钠加入上述悬浮液，开始氧化反应，悬浮液初始 pH 值为11~12，随着反应时间增加，pH 值逐渐降低，为保持最佳反应速率，通过滴加0.5 mol·L^-1氢氧化钠溶液以保持悬浮液pH值为pH 10，当pH值不再下降，反应结束。将TEMPO处理好的纤维素悬浮液抽滤多次（3~5次）至中性，再把中性的纤维素悬浮液稀释到约为5.0 g·kg^-1，用于高压均质。

采用高压均质机对五节芒纤维素悬浮液进行处理，控制压力10⁵ kPa左右，循环均质3次，即得到透明果冻状胶体，装瓶后经超声波清洗机超声5 min除去气泡，可用于性能表征。

CNF悬浮液原液的固含量是用于测定CNF羧基含量和控制CNF悬浮液固含量的基本参数，需要精确表征。取一定量的五节芒CNF悬浮液加入锡纸杯中（锡纸质量m₀，g），称量，记为m₁，g；放入烘箱中于105 ℃下烘干至恒量，取出后用分析天平称量，记为m₂，g。则此CNF悬浮液的固含量（w，%）为：w＝（m₂-m₀）/（m₁-m₀）×100％。通过3次测定取平均值，得到五节芒CNF悬浮液原液的固含量为0.33%。

CNF的表面羧基含量是其主要性能参数。在三口烧瓶中加入10 g CNF悬浮液原液、20 mL 0.01 mol·L^-1氯化氢溶液及80 mL 0.001 mol·L^-1 氯化钠溶液，搅拌均匀，用0.01 mol·L^-1氢氧化钠溶液进行滴定，滴定温度为25 ℃，记录每次滴定氢氧化钠溶液的量和对应的电导率，作图计算可得CNF表面的羧基含量。

用滴管取待测CNF悬浮液（固含量约为0.01%），滴1滴在电镜铜网上，用醋酸双氧铀染色，干燥2 min，为电镜观察用的样品，随后用TEM进行观察。

采用ZetaPALS的Zeta电位测试模式表征CNF悬浮液的Zeta电位，测试条件为25 ℃，测试5个循环，取平均值。

采用旋转流变仪进行流变测试，稳态流变测试：剪切速率范围为10^-1~10³ s^-1；动态测试分为动态应变扫描和动态频率扫描，动态应变扫描条件：在10 rad·s^-1下，应变范围0.1%~100%；动态频率扫描条件：扫描频率范围0.1~100.0 rad·s^-1，应变为10%（根据应变扫描结果，确保所有样品的测试均在线性黏弹区域），测试温度均为25 ℃。为获得更宽固含量范围CNF悬浮液的流变行为，通过旋转蒸发仪，除去CNF悬浮液原液中的部分水分，得到较高固含量的CNF悬浮液，再通过烘箱干燥法得到固含量为0.56%。在该固含量下，CNF悬浮液表现出明显的凝胶行为。

图 1A为五节芒纤维素通过TEMPO氧化处理后高压均质得到的五节芒CNF的透射电镜照片，由图可知，五节芒CNF为直径在纳米级的微细纤维，且CNF之间剥离较好。通过测量统计，可得其直径为（10.0 ± 2.3） nm，长度为微米级别，见图 1B，表明五节芒纤维素可通过TEMPO氧化与高压均质成功制备CNF。图 1C和图 1D给出了相同处理工艺得到的棉花CNF和其直径统计结果，棉花CNF的直径为（11.1± 2.6） nm，比较发现，五节芒CNF具有更小的直径和更好的剥离程度。

Figure 1.  TEM images and their diameter statistics of Miscanthus floridulus

通过TEMPO氧化处理会使纤维素表面带有羧基^[2]。羧基在水中会电离成羧酸根负离子，有利于CNF在水中形成稳定的悬浮液，CNF表面羧基的含量决定着CNF制备的难易及在水相中的稳定性。表征CNF表面羧基主要通过氢氧化钠标准溶液滴定^[7]。图 2 给出了CNF悬浮液电导率随氢氧化钠滴加量的变化曲线，可知，随着氢氧化钠滴加量的增加，CNF悬浮液电导率的变化分为3个阶段。第1阶段：CNF悬浮液电导率呈线性下降；第2阶段：当氢氧化钠滴加量达到19.6 mL时，CNF悬浮液电导率变化缓慢，出现平台区；第3阶段：当氢氧化钠滴加量达到24.2 mL时，CNF悬浮液电导率开始随着氢氧化钠滴加量的增加线性上升。这与文献^[7]报道一致，平台区可用于计算CNF表面羧基含量，具体公式如下：σ＝[c×（V₂-V₁）]/m。其中：σ为羧基含量，c为滴定的氢氧化钠浓度，V₁与V₂为出现平台的初始和结束时所对应氢氧化钠溶液的体积，m为CNF质量（可通过CNF悬浮液原液浓度换算）。由上式得到CNF表面羧基质量摩尔浓度为1.98 mmol·g^-1，棉花CNF的表面羧基质量摩尔浓度为1.09 mmol·g^-1，比五节芒CNF低，这也是棉花CNF较五节芒CNF剥离不够彻底，直径偏大的原因。

Figure 2.  Conductometric titration curves of Miscanthus floridulus CNF

Zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，一般认为Zeta电位绝对值大于30 mV，表明体系比较稳定。Zeta电位绝对值越大，体系越稳定。图 3给出了五节芒CNF悬浮液的Zeta电位随CNF固含量的变化，由于CNF表面带有羧酸根，五节芒CNF悬浮液的Zeta电位显示为负值；所有浓度下，悬浮液Zeta电位的绝对值为55~65 mV，表明五节芒CNF悬浮液非常稳定；随着CNF固含量的上升，Zeta电位绝对值略有下降，表明体系稳定性降低，这主要是体系中电荷浓度增加导致CNF表面电荷屏蔽引起的。OKITA等^[8]通过TEMPO氧化法制备了不同纤维素原材料的CNF，在固含量为0.1%时，各CNF悬浮液的Zeta电位在-70 mV左右，与我们测得的结果非常接近。

Figure 3.  Zeta potentials of Miscanthus floridulus CNF aqueous suspension as a function of CNF content

图 4给出了五节芒CNF悬浮液在不同浓度下的稳态剪切黏度（η_a）与剪切速率（ $\dot{\gamma }$ ）的关系。由图 4可知，CNF悬浮液η_a随着固含量增加而上升；当CNF固含量为0.17%时，CNF悬浮液在低剪切速率（小于0.2 s^-1）时，表现出牛顿流体行为，当剪切速率大于0.2 s^-1时，出现剪切变稀行为；固含量高于0.17%的CNF悬浮液，在给定剪切速率下，CNF悬浮液均表现出剪切变稀行为，且固含量越高，剪切变稀现象越明显。这主要是由于CNF在悬浮液中存在着缠结，剪切会破坏缠结结构，使CNF悬浮液的黏度下降，表现出剪切变稀行为；固含量越高缠结密度越高，缠结结构所对应的松弛时间越短，破坏缠结所需的剪切速率越低，因此，CNF悬浮液固含量越高，表现出的剪切变稀行为越明显。

Figure 4.  Apparent viscosity (η_a) as a function of shear rates ( γ ) for CNF aqueous suspensions with different Miscαnthus floridulus CNF content at 25°C

动态应变（γ）扫描既可考察体系的结构对外界刺激的响应程度，也可确定体系的线性黏弹区域。图 5给出了25 ℃，角频率（ω）为10 rad·s^-1时，不同浓度CNF悬浮液的储能模量（G′）对γ的依赖性。可知，随应变增加，G′开始保持不变，当应变大于10%左右时，G′开始下降，这是由于CNF结构被破坏所致，CNF的浓度越高，G′开始下降所对应的应变越小。在动态测试的浓度范围内，为保证所有体系都处于线性黏弹区间，控制应变为10%。

Figure 5.  Dependence of dynamic storage modu1us (G') on strain amp1itude for different concentrations of Miscαnthus floridulus CNF suspensions at 25 OC and 10 rad•s^-1

图 6分别给出了25 ℃，应变10%时，不同固含量五节芒CNF悬浮液的G′，损耗模量（G″）与ω的关系。由图可以发现，随着ω降低，G″和G′逐渐下降，在低频率时G′，G″与ω的斜率与纤维素纳米纤丝的固含量相关，CNF固含量越低，斜率越大，随着CNF固含量上升，斜率逐渐变小，当固含量为0.56%时，G′与G″几乎不随ω变化，出现了平台，表明体系在该固含量下已具有明显的网络结构，表现出凝胶形态。

Figure 6.  Plots of （A） storage modulus （G′） and （B） loss modulus （G″） versus ω for Miscanthus floridulus CNF suspensions with different concentrations at 10% strain at 25 ℃

Cox-Merz 规则认为，当稳态测试时的剪切速率等于动态测试时的角频率时，表观黏度（η_a）与动态复合黏度（η^*）的绝对值大致相等^[9]。Cox-Merz规则是一个将动态测试与稳态测试联系起来的经验规则，由于涉及到线性与非线性流体的性质，至今，还没有研究者给出理论证明。如果体系的流变特性不符合Cox-Merz规则，则可能表明，体系中存在较强的长程相互作用，且分子间相互作用引起的热焓变化要比简单的拓扑缠结更重要。图 7给出了25 ℃，应变在10%时，不同固含量五节芒CNF悬浮液的动态复合黏度和稳态表观黏度数据。由图 7可知，当CNF悬浮液的固含量为0.17%，0.25%和0.33%时，η_a与η^*基本重合，表明体系符合Cox-Merz规则。而当CNF悬浮液固含量为0.56%时，η_a大于η^*，Cox-Merz规则不适用，这与CNC悬浮液流变行为表现一致^[10]，可能是随着CNF固含量增加，体系中的长程作用增加导致的。

Figure 7.  Cox-Merz rule comparisons of Miscanthus floridulus CNF （The open symbols represent the steady shear viscosity η_a and the solid symbols denote complex viscosity η^*）

五节芒可通过TEMPO预氧化结合高压均质成功制得纤维素纳米纤丝（CNF），其直径为10.0 ± 2.3 nm，长度达微米级，表面羧基质量摩尔浓度为1.98 mmol·g^-1，较相同制备工艺得到的棉花CNF有更小的直径和更好的剥离程度。五节芒CNF悬浮液具有很好的储存稳定性，随着固含量的增加，稳定性会略有下降。五节芒CNF悬浮液出现剪切变稀行为，浓度越高，剪切变稀行为越明显；在CNF固含量为0.56%时，体系就出现了G′，G″平台，表现出凝胶结构，Cox-Merz规则在该浓度失效。