竹漿制備納米纖維素晶體的研究(摘要)

卓治非

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

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竹漿制備納米纖維素晶體的研究(摘要)

Manufacture of Nano-crystalline Cellulose from Bamboo Pulp(Abstract)

卓治非

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

我國(guó)竹類資源豐富，被譽(yù)為“竹子王國(guó)”，但目前對(duì)竹材高附加值產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究較少。另一方面，納米纖維素晶體(NCC)在眾多領(lǐng)域中顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，附加值高，成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。因此利用竹漿制備NCC，有利于提高竹類資源的綜合利用價(jià)值。

以竹子溶解漿為原料，分別采用酸法、球磨酶解法和PFI酶解法制備NCC。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)。酸法制備NCC的最佳工藝參數(shù)：溫度53 ℃、時(shí)間128 min、硫酸濃度60%，在此條件下NCC的產(chǎn)率為55.83%。球磨酶解法制備NCC的最佳工藝參數(shù)：酶用量9.6 FPU、酶解溫度50 ℃、酶解時(shí)間24 h，在此條件下NCC的產(chǎn)率達(dá)到17.98%。PFI磨酶解法制備NCC的最佳工藝參數(shù)為：PFI轉(zhuǎn)數(shù)9 000 r，酶用量2.736 FPU、酶解時(shí)間3 d、酶解溫度50 ℃，在此條件下NCC的產(chǎn)率達(dá)到19.13%。

采用掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外光譜儀(FT-IR) 及熱重分析儀(TG)對(duì)竹漿、預(yù)處理竹漿及NCC進(jìn)行性能表征。研究發(fā)現(xiàn)，粉碎后的竹漿保持了原纖維的基本形態(tài)，部分纖維長(zhǎng)鏈被切斷；竹漿經(jīng)過(guò)球磨預(yù)處理后，形成近球形顆粒，尺寸變小，約為5～10 μm；PFI磨預(yù)處理后的竹漿纖維被切斷，纖維表面發(fā)生帚絲化；PFI-酶解后的殘?jiān)叽缦鄬?duì)于PFI預(yù)處理后的纖維變得更小，長(zhǎng)度大約在20 μm以內(nèi)，寬度為幾微米。由AFM圖可知，酸法制備的NCC尺寸較為均一，為棒狀，長(zhǎng)度約為100～200 nm，寬度為10 nm以內(nèi)；球磨-酶解法制備的NCC尺寸較酸法的大，呈球形，直徑約為800～1 000 nm；PFI-酶解法制備的NCC尺寸較球磨-酶解法的小，較酸法的大，呈球形，直徑約為400～600 nm。XRD表明，竹漿、不同方法預(yù)處理的竹漿及不同方法制備的NCC都屬于纖維素Ⅰ型。通過(guò)結(jié)晶度計(jì)算，酸解-NCC的結(jié)晶度由竹漿的64.27%提高到72.04%；球磨酶解-NCC的結(jié)晶度由竹漿的64.27%降低到43.34%，球磨預(yù)處理破壞了纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；PFI酶解-NCC的結(jié)晶度由竹漿的64.27%提高到73.95%；預(yù)處理竹漿的結(jié)晶度均較竹漿原料低。紅外圖譜表明，竹漿、不同方法預(yù)處理的竹漿及不同方法制備的NCC具有基本一致的特征吸收峰，說(shuō)明保持了纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。熱性能研究表明，PFI預(yù)處理的竹漿，熱穩(wěn)定性高于竹漿原料。而球磨預(yù)處理的竹漿及不同方法制備的NCC，起始降解溫度及劇烈失重溫度均較竹漿原料低，但熱分解結(jié)束時(shí)的殘余質(zhì)量較竹漿原料大，并且在不同的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的熱穩(wěn)定性。

通過(guò)HPLC分析最優(yōu)條件下球磨酶解法及PFI酶解法制備NCC產(chǎn)生的水解液。發(fā)現(xiàn)其主要成分為葡萄糖，占還原糖總量的70.13%、71.06%，其次為纖維二糖16.19%、12.39%，木糖11.55%、7.68%。水解液中的糖可用于開(kāi)發(fā)糖基材料。

竹子溶解漿；納米纖維素晶體；纖維素酶；工藝優(yōu)化；性能表征

指導(dǎo)老師：房桂干(1966—)，男，江蘇興化人，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事木質(zhì)纖維材料的化學(xué)利用；E-mail：fangguigan@icifp.cn。