甲基纖維素對乙?；{米纖維素凝膠化行為的影響

耿延訓(xùn)，褚彩玲，徐化能

(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

1 前 言

納米纖維素纖維(cellulose nanofibrils，CNF)是天然纖維素經(jīng)化學(xué)水解、機械處理得到的一種納米材料，其直徑通常在 3～15 nm、長度可達幾百納米[1]。CNF水分散(或懸浮)液在較低質(zhì)量分數(shù)下即會形成凝膠，主要歸因于其較高的長徑比和多層次自組裝結(jié)構(gòu)[2]。纖維質(zhì)量分數(shù)、溫度和離子強度等都是影響CNF凝膠性能的重要因素[3-5]。CNF表面帶有一定量的負電荷，因此考察離子強度變化對CNF凝膠微觀結(jié)構(gòu)與流變性質(zhì)的影響已引起廣泛重視[6-7]。研究表明，鹽離子對表面電荷的屏蔽作用能促使CNF發(fā)生快速聚集，從而顯著提高其凝膠的儲能模量與損耗模量，但是這種作用效果會致使凝膠抵抗外力的能力變差，表現(xiàn)在流變性能上就是線性黏彈區(qū)間應(yīng)變值變小[8-9]。

為滿足人們對優(yōu)良凝膠性能的需求，常用的方法是對 CNF進行表面修飾來改善其聚集和凝膠性質(zhì)[10-13]。乙酰化改性作為一種簡單化學(xué)修飾方法是指用乙?；鶃聿糠秩〈w維表面的羥基[14-15]，其在CNF表面功能化上具有獨特優(yōu)勢。此外，CNF可與其他聚合物復(fù)合形成相互纏繞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[16-18]，該方法不僅能保留CNF凝膠性能，而且能提高凝膠體系的穩(wěn)定性與機械性能。甲基纖維素(methylcellulose，MC)是一種不帶電荷的水溶性纖維素衍生物，作為增稠劑被廣泛應(yīng)用。MC分子鏈結(jié)構(gòu)簡單，在水溶液中以無規(guī)則的線團形式存在[19]，這也使得MC成為制備復(fù)合凝膠的理想材料。當MC溶解于水時，其分子鏈的纏結(jié)程度會隨著MC濃度和相對分子質(zhì)量的增加而增加；當MC與CNF共存時，MC會自發(fā)吸附并包裹在CNF表面[18]。有關(guān)MC與CNF之間復(fù)雜相互作用的研究，特別是在CNF臨界凝膠相邊界時，由CNF質(zhì)量分數(shù)漲落而導(dǎo)致的凝膠相轉(zhuǎn)變行為會存在一些敏感的結(jié)構(gòu)信息，這將有助于優(yōu)化CNF復(fù)合凝膠的機械性能。

水凝膠具有多尺度結(jié)構(gòu)特征，各種表征方法如電子顯微鏡[20-22]、小角光散射[15]和熱分析[23-24]等方法都可以提供其在不同尺度上的結(jié)構(gòu)信息；環(huán)境條件如pH值[25-26]、鹽濃度[7]和溫度[18，23-24]的變化均對凝膠性質(zhì)產(chǎn)生影響，這種影響與其體系的結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)，更能通過體系的流變性質(zhì)來反映。流變法可通過測定振蕩剪切模量來跟蹤體系相變過程的黏彈性質(zhì)變化[27-28]。與其他靜態(tài)結(jié)構(gòu)測試性質(zhì)相比，流變性能則是凝膠體系中諸多粒子間相互作用的宏觀表現(xiàn)，能直觀地反映結(jié)構(gòu)的形成、破壞以及轉(zhuǎn)變等過程[28-29]，有助于加深對凝膠機理的理解。

本文基于前期報道的乙?；{米纖維素纖維(acetylated cellulose nanofibrils，ACNF)制備方法[15]，選用不同分子量的MC與ACNF進行復(fù)合來制備水凝膠；利用激光共聚焦顯微鏡與振蕩剪切流變測試手段，考察 MC在 ACNF臨界凝膠質(zhì)量分數(shù)附近對復(fù)合凝膠微觀結(jié)構(gòu)與動態(tài)流變性質(zhì)的影響，圍繞微觀結(jié)構(gòu)-介觀形態(tài)-宏觀流變性質(zhì)間的關(guān)系探討復(fù)合凝膠化的內(nèi)在機理。

2 實驗(材料與方法)

2.1 實驗材料與儀器

甲基纖維素(MC)購于Sigma-Aldrich有限公司，相對分子質(zhì)量分別為17 000、44 000、88 000 g?mol-1，依次簡稱 MC1、MC2、MC3；ACNF由前期報道的無溶劑反應(yīng)+高壓均質(zhì)法制備所得[15]，其取代度為1.35；聚乙二醇20000均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；Solarbio MD44透析袋(截留相對分子質(zhì)量為8 000～14 000 g?mol-1)。實驗用水均為去離子水。

DHR-3流變儀(美國TA公司)，LSM710激光共聚焦顯微鏡(德國Zeiss公司)，IS10傅里葉紅外光譜儀(美國 Nicolet公司)。

2.2 ACNF-MC復(fù)合凝膠的制備

將制備好的質(zhì)量分數(shù)為0.5%的ACNF懸浮液裝入透析袋，并放入高濃度的聚乙二醇溶液，待濃縮至一定質(zhì)量分數(shù)時取出備用；將ACNF懸浮液與MC溶液按1:1體積比混合，充分攪拌后靜置超過10 h，得到ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%或2%、MC質(zhì)量分數(shù)為1%的ACNF-MC復(fù)合水凝膠樣品。

2.3 傅里葉紅外光譜測試(Fourier Transform infrared spectroscopy, FTIR)

經(jīng)過冷凍干燥的ACNF、MC及ACNF-MC3粉末，分別利用溴化鉀壓片方法進行測試，儀器光譜范圍500～4 000 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描次數(shù)16次。

2.4 動態(tài)流變測試

采用DHR-3流變儀進行動態(tài)流變測試，使用40 mm不銹鋼平板夾具，測試間隙1 000 μm。樣品在測試過程中均用石蠟油油封，防止水分蒸發(fā)。每個樣品在測試前通過平板加熱10 min，測試溫度25 ℃或65 ℃；應(yīng)變掃描測試固定頻率1 Hz，應(yīng)變范圍0.01%～1 000%；頻率掃描測試的固定應(yīng)變0.5%(線性黏彈區(qū)范圍內(nèi))，頻率范圍0.1～10 Hz；獲得彈性模量G’和黏性模量G’對應(yīng)變γ和頻率f的函數(shù)曲線。

2.5 激光共聚焦顯微鏡測試(confocal laser scanning microscope, CLSM)

利用帶有凹槽的載玻片，裝入水凝膠樣品，用卡爾?？唆敔枱晒獍走M行染色并密封，利用激光共聚焦物鏡進行觀察，激發(fā)波長為408 nm，物鏡放大倍數(shù)為40倍。

3 實驗結(jié)果與討論

圖1 ACNF與MC的分子結(jié)構(gòu)，R是H或者乙酰基，X是H或者甲基Fig.1 Molecular structures of ACNF and MC.(R = H or acetyl，X = H or methyl)

圖2 ACNF、MC3及ACNF-MC3干燥樣品的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of dried ACNF，MC3，and ACNF-MC3

從MC與ACNF的分子結(jié)構(gòu)(見圖1)可以看出，兩者表面均存在大量羥基。當MC與ACNF混合時，分子間可形成氫鍵，這在FTIR譜圖(見圖2)中會表現(xiàn)出特征吸收峰的變化。其中，3 100～3 500 cm-1譜帶與分子中羥基形成氫鍵強弱有關(guān)，氫鍵越強，譜帶向低波數(shù)方向位移也越大[29]。試樣在這一譜帶中的峰值均滯后于3 500 cm-1，而ACNF-MC3樣品在該譜帶的峰值最低(3 367 cm-1)，表明混合樣品形成了更強的氫鍵。ACNF樣品在1 754 cm-1與1 378 cm-1處的特征峰分別對應(yīng)乙酰基中C=O與C–O鍵，MC樣品在1 128 cm-1處的特征峰對應(yīng)不對稱C–O–C的伸縮振動[30]。ACNF表面的酯基以及MC表面的醚基預(yù)示著ACNF-MC體系會產(chǎn)生范德華力與疏水作用。類似地 HYNNINEN等[19]也發(fā)現(xiàn) MC與納米纖維素晶體(CNC)會在氫鍵與范德華力等作用下相互纏結(jié)。

如圖3所示為ACNF懸浮液隨著質(zhì)量分數(shù)的增加(從1.5%到 3.0%)發(fā)生的從溶膠到凝膠的轉(zhuǎn)變過程，其臨界凝膠質(zhì)量分數(shù)在2.5%左右。MC與ACNF的作用方式與ACNF的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否連續(xù)有關(guān)，而微觀結(jié)構(gòu)與流變行為的相互關(guān)系是決定復(fù)合凝膠最終性能的重要因素。因此，本研究選取低于臨界凝膠質(zhì)量分數(shù)(2%)與高于臨界凝膠質(zhì)量分數(shù)(3%)2種條件下的ACNF懸浮液與不同分子量MC溶液(質(zhì)量分數(shù)1%)進行復(fù)合來制備水凝膠。

圖3 ACNF懸浮液在不同質(zhì)量分數(shù)下的形態(tài)Fig.3 Pictures of suspensions with different mass fractions of ACNF

圖4 不同分子量MC溶液的的彈性模量G’與黏性模量G’隨應(yīng)變變化曲線Fig.4 Profiles of storage modulus G’ and loss modulus G’ as a function of strain amplitude for 1% MC solution

MC的相對分子質(zhì)量差異會導(dǎo)致其水溶液具有不同的流動特性。如圖4所示為不同相對分子質(zhì)量MC溶液(MC1、MC2和MC3)在質(zhì)量分數(shù)為1%條件下的流變測試結(jié)果，其應(yīng)變掃描范圍從0.01%至1 000%，頻率固定為1 Hz。結(jié)果表明，G’隨著MC相對分子質(zhì)量的增加而增加；MC1和MC2表現(xiàn)出近似液體的流變行為(G’ ＜G’)，而MC3則表現(xiàn)為近似固體的流變行為(G’ ＞G’)，這是因為高相對分子質(zhì)量的MC物理交聯(lián)能力強，其網(wǎng)絡(luò)越密集，導(dǎo)致黏彈性增強。

激光共聚焦顯微鏡測試可直觀反映ACNF與MC復(fù)合并自組裝形成凝膠時的介觀形態(tài)變化，其結(jié)果如圖5所示。圖5(a)～(d)分別為ACNF質(zhì)量分數(shù)為2% 的ACNF、ACNF-MC1、ACNF-MC2、ACNF-MC3復(fù)合水凝膠的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從圖中可以看出MC的加入使得凝膠變得更加均勻、連續(xù)。圖5(e)～(h)分別是 ACNF質(zhì)量分數(shù)為 3% 的相應(yīng)復(fù)合凝膠的測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該條件下凝膠內(nèi)部出現(xiàn)暗紋地帶，表明ACNF聚集體數(shù)量增多、尺寸變大，并在整個凝膠空間中通過緊密連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當ACNF質(zhì)量分數(shù)低于臨界凝膠質(zhì)量分數(shù)時，MC可以均勻地分散在凝膠內(nèi)部，這使得MC分子鏈有機會與ACNF纖維相互纏結(jié)形成更加連續(xù)、均勻的復(fù)合凝膠；而ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%的復(fù)合凝膠則呈現(xiàn)不均勻的復(fù)雜形態(tài)，這可能是因為ACNF質(zhì)量分數(shù)的升高增強了纖維間的纏結(jié)能力，從而連接形成尺寸較大的聚集體。

圖5 ACNF-MC復(fù)合凝膠的激光共聚焦顯微鏡圖片F(xiàn)ig 5 CLSM images of ACNF-MC composite hydrogels

復(fù)合凝膠中存在氫鍵、范德華力及疏水作用等多種相互作用，各種作用對凝膠化的貢獻將隨溫度變化而變化，從而使體系在不同溫度下表現(xiàn)出不同的流變行為。選擇25與65 ℃這2種溫度下對復(fù)合凝膠進行了動態(tài)流變測試，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)為ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合凝膠在25 ℃時的應(yīng)變掃描結(jié)果。復(fù)合凝膠在線性黏彈區(qū)的G’和G’相比于MC溶液以及ACNF懸浮液都得到顯著的提高，且隨著MC相對分子質(zhì)量增加而增加。超過線性黏彈區(qū)后隨著應(yīng)變值的增大，G’ 和G’逐漸減小，表明樣品在大應(yīng)變流場下發(fā)生屈服；當繼續(xù)增加應(yīng)變值，試樣進入流動區(qū)(G’ ＜G’)；圖6(b)是ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%的復(fù)合凝膠在25 ℃時的應(yīng)變掃描結(jié)果?？梢杂^察到，MC也會提高復(fù)合凝膠的G’和G’；與前面不同的是，G’先呈現(xiàn)1個過沖峰然后減小；隨著 MC相對分子質(zhì)量的增加，過沖峰強度減弱。G’曲線隨應(yīng)變增大而出現(xiàn)的峰與樣品屈服過程的結(jié)構(gòu)不均勻有關(guān)，過沖峰強度減弱反映出樣品屈服前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到改善。圖6(c)和(d)是2種ACNF質(zhì)量分數(shù)下復(fù)合凝膠在65 ℃時的應(yīng)變掃描結(jié)果，此時復(fù)合凝膠呈現(xiàn)出與25 ℃下類似的屈服模式，但黏彈性模量與線性黏彈區(qū)均發(fā)生改變。

圖6 復(fù)合凝膠的彈性模量G’與黏性模量G’隨應(yīng)變變化曲線Fig.6 Profiles of storage modulus G’ and loss modulus G’ as a function of strain amplitude for hydrogels

圖7 復(fù)合水凝膠應(yīng)變掃描曲線彈性模量G’與黏性模量G’平臺值Fig.7 Platform values of storage modulus G’ and loss modulus G’ of hydrogels

圖8 復(fù)合凝膠應(yīng)變掃描曲線的線性黏彈區(qū)應(yīng)變值Fig.8 Values of linear viscoelastic region of hydrogels

為進一步比較2類復(fù)合凝膠流變性質(zhì)的差異性，計算應(yīng)變掃描過程中G’和G’的平臺值、線性黏彈區(qū)應(yīng)變值，分別如圖7和8所示。在25 ℃與65 ℃下復(fù)合凝膠的G’和G’的平臺值均隨著MC相對分子質(zhì)量增大而增大；且65 ℃下復(fù)合凝膠的平臺值均高于25 ℃。圖8(a)是25 ℃這2種體系的線性黏彈區(qū)應(yīng)變值，當ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%時，隨著MC分子量增加，凝膠的線性黏彈區(qū)應(yīng)變值從1%增加到4%；而當ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%時，線性黏彈區(qū)幾乎維持在4%左右。當溫度升高到65 ℃時，ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合凝膠的線性黏彈區(qū)明顯增大，尤其是ANCF-MC2及ACMF-MC3的應(yīng)變值提高了5～10倍，而ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%的復(fù)合凝膠卻從4%下降到1.6%(圖8(b))。在25 ℃下低質(zhì)量分數(shù)的ACNF凝膠中，高相對分子質(zhì)量的MC分子可以同時吸附在多個ACNF粒子上，產(chǎn)生氫鍵并通過纏結(jié)作用形成橋接結(jié)構(gòu)，這有助于黏彈性模量及線性黏彈區(qū)的同時提高；而在高質(zhì)量分數(shù)的ACNF凝膠中，其內(nèi)部的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，MC僅進入到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙中起填充作用，表現(xiàn)為黏彈性模量增加而線性黏彈性區(qū)間保持不變。溫度升高會減弱體系的氫鍵卻增強疏水作用，使 MC鏈段產(chǎn)生形態(tài)變化(折疊以及環(huán)化)[19，31]，這種形態(tài)特征使得復(fù)合凝膠三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更加緊密，表現(xiàn)出很高的線性黏彈性。另外，當ACNF質(zhì)量分數(shù)較低時，凝膠中纖維密度小、纏結(jié)能力較弱，疏水作用占比的提高使纖維間交聯(lián)加強，導(dǎo)致凝膠的G’、G’與線性黏彈區(qū)增加；當ACNF質(zhì)量分數(shù)較高時，疏水作用占比的提高使ACNF相互靠近產(chǎn)生更大的纖維束，但參與交聯(lián)的纖維數(shù)量減少導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)化程度降低，因而凝膠的G’和G’提高但線性黏彈區(qū)有所降低。

如圖9所示為ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%與3%的復(fù)合凝膠的頻率掃描結(jié)果，在測試頻率范圍內(nèi)，G’始終大于G’；從模量的大小上來看，MC的引入均提高了2%與3%凝膠的G’與G’，2種復(fù)合凝膠的模量均隨MC分子量增加而增加。圖9(a)與(b)分別為2%與3%的復(fù)合凝膠在25 ℃下的測試結(jié)果，ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%的復(fù)合凝膠強度與頻率幾乎無關(guān)，呈現(xiàn)出較強的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征；而ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合凝膠對頻率顯示出一定的依賴性，表明凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較弱。圖9(c)與(d)是上述2種凝膠在65 °C下的頻率掃描結(jié)果，與應(yīng)變掃描結(jié)果類似，溫度升高增強了復(fù)合凝膠的黏彈性，特別是ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%的復(fù)合凝膠對頻率的依賴性明顯降低。

圖9 復(fù)合凝膠的彈性模量G’與黏性模量G’隨頻率變化曲線Fig.9 Profiles of storage modulus G’ and loss modulus G’ as a function of frequency for ACNF-MC composite hydrogels

4 結(jié) 論

(1) 當ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%時，復(fù)合凝膠的黏彈性模量與線性黏彈性區(qū)間均隨著MC相對分子質(zhì)量的增加而增加；當ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%時，復(fù)合凝膠的黏彈性模量隨著MC相對分子質(zhì)量的增加而增加，而線性黏彈性區(qū)間幾乎保持不變。

(2) MC在ACNF質(zhì)量分數(shù)為2%時能提供更多的交聯(lián)點促進凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成(橋連作用)，而在ACNF質(zhì)量分數(shù)為3%時主要是強化已有凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征(填充作用)。復(fù)合凝膠通過氫鍵、范德華力及疏水作用等形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；隨著溫度的升高，在氫鍵作用減弱而疏水作用增強的綜合影響下，復(fù)合凝膠的黏彈性明顯增強，而線性黏彈區(qū)應(yīng)變值的變化與ACNF質(zhì)量分數(shù)有關(guān)。