使用桉樹紙漿酶預(yù)處理研磨法制備纖維微/納纖絲

纖維素作為一種天然高分子化合物，在物理形態(tài)和化學(xué)性能上存在某些缺陷，如熱解性能差、不耐化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度有限等，因此限制了其應(yīng)用范圍。從天然纖維中分離出的微/納纖絲由成束的高強(qiáng)度和高彈性模量的纖維素分子鏈組成，是一種質(zhì)輕、環(huán)境友好、可生物降解的聚合物，具有低密度、較大的比表面積、高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)以及可生物降解等優(yōu)異性能，在電子工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、先進(jìn)材料、包裝等許多重要領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

微/納纖絲的制備方法也是多種多樣，不過總結(jié)起來可以簡單分為化學(xué)法、機(jī)械法、生物法等。采用預(yù)處理手段可有效解決機(jī)械制備技術(shù)中能耗高、時(shí)間長和粒徑分布不均勻等瓶頸問題。

桉樹紙漿的化學(xué)成分

對紙漿的基本化學(xué)成分進(jìn)行分析，并利用X射線衍射儀、場發(fā)射掃描電鏡分別分析紙漿結(jié)晶度以及微觀形貌，結(jié)果如表1和圖1所示。

由表1可知，桉樹紙漿中含有少量的酸不溶木質(zhì)素和半纖維素，但是α-纖維素含量己經(jīng)達(dá)到84.64%，說明紙漿可以直接用于制備纖維素微/納纖絲，并不需要再進(jìn)行純化處理來脫除半纖維素和木質(zhì)素，這樣也可以降低能耗。

由圖1可見，未經(jīng)任何處理的桉樹紙漿纖維表面光滑，相對平整，而且沒有非常明顯的凹陷，直徑為9-18μm，分布均勻。

纖維素酶預(yù)處理

稱取一定質(zhì)量的紙漿，撕成約1cm×1cm大小的紙片后加入蒸餾水，用高速攪拌機(jī)攪拌30min，轉(zhuǎn)速為500r/min，攪拌后在室溫下放置24h使纖維充分潤脹。之后放入500ml三角瓶中，并依次加入250ml pH4.8的緩沖溶液及纖維素酶(酶活性分別為20、40、60和80ECU/g)，放入50℃搖床中恒溫振蕩反應(yīng)一定時(shí)間(2、4、6和8h)。反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫振蕩反應(yīng)30min，中止酶反應(yīng)。

研磨法制備紙漿微/納纖絲

將酶解后的紙漿配制成1L質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理:磨盤間隙為-10μm，研磨轉(zhuǎn)速為1500r/min，研磨時(shí)間為5、15、30、60、90和120min。

纖維素酶預(yù)處理對桉樹紙漿纖維微/納纖絲微觀形貌的影響

酶用量是影響纖維素酶降解效果的關(guān)鍵因素，酶用量越高，纖維素酶對纖維的作用越明顯，更多的纖維表面變得疏松粗糙，在相同的研磨條件下纖維更容易分絲帚化、分離出更小的纖絲。

當(dāng)酶解時(shí)間由2h增加到6h時(shí)，經(jīng)研磨制得的微/納纖絲直徑明顯減小，但酶解時(shí)間為8h時(shí)，纖絲直徑并沒有繼續(xù)明顯減小，這是因?yàn)槔w維素酶在特定的條件下有適宜的反應(yīng)時(shí)間，當(dāng)酶解時(shí)間為6h時(shí)，纖維素酶可能己經(jīng)充分作用于紙漿纖維，酶解時(shí)間繼續(xù)延長，紙漿纖維微觀形貌以及結(jié)構(gòu)不會再有明顯變化，最終微/納纖絲直徑變化也不明顯。

研磨時(shí)間對桉樹紙漿纖維微/納纖絲微觀形貌的影響

隨著研磨時(shí)間逐漸增加，紙漿纖維直徑逐漸減小，纖絲逐漸從纖維中分離，當(dāng)研磨時(shí)間為60min時(shí)，纖絲平均直徑為420nm。紙漿經(jīng)過120min的研磨之后，大部分纖絲己經(jīng)分離出來，并呈網(wǎng)狀交織在一起，但是纖絲直徑并不均勻，平均直徑為128nm。

酶解條件對桉樹紙漿纖維微/納纖絲直徑的影響

隨著酶用量或酶解時(shí)間的增加，制備所得的微/納纖絲的直徑均逐漸減小，這是因?yàn)殡S著酶用量或酶解時(shí)間增加，纖維素酶對纖維的作用越明顯，酶解反應(yīng)越充分，酶解后的纖維也更易纖絲化，在相同的研磨時(shí)間內(nèi)，得到的微/納纖絲直徑也越小。

桉樹紙漿纖維微/納纖絲制備過程中結(jié)晶度的變化

將處理所得的樣品冷凍干燥后取適量進(jìn)行X射線衍射表征，所得結(jié)果如圖7所示。經(jīng)計(jì)算得知桉樹紙漿纖維的結(jié)晶度為59.21%，經(jīng)60ECU/g纖維素酶處理6h后纖維的結(jié)晶度為70.89%，纖維素微/納纖絲的結(jié)晶度為67.52%。

責(zé)任編輯：葛