基于沉降法的纤维素纳米晶体粒径检测方法

1.本发明涉及纳米纤维素技术领域，具体涉及一种基于沉降法的纤维素纳米晶体粒径检测方法。


背景技术：

2.纤维素纳米晶体是指直径在1～100nm，具有一定长径比，化学成分为纤维素的纳米高分子材料。纤维素纳米晶体不仅具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性，还具有大比表面积、高亲水性、高透明性、高强度、高杨氏模量、低热膨胀系数等优点，在复合材料、医药、电子产品、造纸、食品等领域获得了越来越多的应用。
3.作为一种具有重要物化性质的新型材料，迄今为止，纳米纤维素的最重要质量指标-直径，通常都是用扫描电镜(scanning electron microscope，sem)或透射电镜(transimission electronic microscopy，tem)检测，而这些大型精密仪器一般只有高校、研究院所等研究机构拥有，且操作过程复杂，检测及维护费用昂贵，因此，无法及时快速指导纳米纤维素实际生产，严重限制了其规模化生产及推广使用。
4.根据胶体的一般定义，胶体是一种均匀混合物，在胶体中含有两种不同相态的物质，一种称为分散相，另一种称为连续相。据此，可将纳米纤维素悬浮液归于胶体。胶体的聚沉现象即为向胶体中加入电解质溶液或相反电荷的胶体粒子时，所带入的阳离子(或阴离子)中和了原胶体粒子所带的电荷，使胶体粒子聚集成较大颗粒，从而发生沉降。胶体粒子粒径不同，其沉降高度不同，具有一定的相互对应关系。根据胶体的三种沉降机制：(ⅰ)由沉降粒子的空间限制引起的聚集；(ⅱ)由不同沉降速度下粒子之间的碰撞引起的聚集；(ⅲ)不同沉降速度下粒子的抑制聚集。在一定程度上证明了胶体粒子的聚沉体积可作为判断其颗粒大小的依据。
5.综上所述，胶体失稳沉降为检测纤维素纳米晶体的粒径提供了科学依据。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种纤维素纳米晶体粒径新型检测方法——沉降法。该方法将纤维素纳米晶体的沉降高度与其粒径间建立数学联系(本发明的纤维素纳米晶体粒径是指其直径)，为纤维素纳米晶体粒径的检测开辟了一条新的道路，可在企业中指导生产，控制纤维素纳米晶体的质量。
7.本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
8.基于沉降法的纤维素纳米晶体粒径检测方法，包括以下步骤：
9.(1)纤维素纳米晶体沉降高度的测定：将已知粒径的纤维素纳米晶体(cnc)悬浮液加水稀释成浓度为0.2％的悬浮液，室温下放置在90-100hz超声波下分散60min以上，使其充分分散。
10.将分散后的纤维素纳米晶体悬浮液加入100ml具塞量筒中至100ml刻度线，再缓慢加入3g nacl，轻轻摇晃使其溶解再充分震荡，并在室温下静置48h，观测纤维素纳米晶体在
量筒中的沉降高度并记录。
11.(2)纤维素纳米晶体沉降高度-粒径函数关系的确定：选取不同粒径的纤维素纳米晶体，测定沉降高度，将测得的沉降高度与其粒径之间建立函数关系，得到函数关系式为：y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64。
12.以上所述纤维素纳米晶体为硫酸水解微晶纤维素(mcc)所得，并经过透射电镜表征及分析软件image j测得纤维素纳米晶体的平均粒径。
13.以上所述具塞量筒为标准的100ml量筒，其管外径为30mm。
14.以上所述纤维素纳米晶体沉降高度-粒径函数关系的确定是由多组数据在作图软件上进行拟合得到的函数拟合曲线。
15.本发明具有如下有益效果：
16.(1)本发明通过测试cnc的沉降高度，简化了cnc粒径的测量方法，降低了表征cnc过程的经济成本。
17.(2)本发明将cnc沉降高度与其粒径进行关联，既有理论文献的支持又有实例的支撑。
18.(3)本发明为cnc粒径的检测开辟了一条新的道路，可在企业中指导cnc的生产，控制cnc的质量。
附图说明
19.图1a-h分别对应本发明实施例1-8中不同粒径cnc透射电镜图。
20.图2a-h分别对应本发明实施例1-8中不同cnc粒径分布图。
21.图3a-h分别对应本发明实施例1-8中不同cnc在nacl作用下沉降高度变化实物图。
22.图4为nacl作用下cnc直径与cnc沉降高度的函数关系图。
具体实施方式
23.本发明构建了沉降高度与纤维素纳米晶体粒径之间的数学关系，将纤维素纳米晶体粒径的尺寸表征以沉降高度的直观方式表现，为检测纤维素纳米晶体粒径提供了简便途径。下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的描述。
24.实施例1：
25.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与50％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在40℃下反应1h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc平均粒径为41.3nm，见图1中(a)和图2中(a)。
26.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为12.1ml，见图3中(a)。
27.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为40.3nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差1.0nm。
28.实施例2：
29.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与52％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在50℃下反应1.5h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc平均粒径为38.7nm。见图1中(b)和图2中(b)。
30.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为15.3ml，见图3中(b)。
31.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为36.3nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差2.4nm。
32.实施例3：
33.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与54％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在50℃下反应1h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc平均粒径为16.9nm。见图1中(c)和图2中(c)。
34.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为36.1ml，见图3中(c)。
35.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为18.2nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差1.3nm。
36.实施例4：
37.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与56％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在60℃下反应1.5h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc粒径为14.1nm。见图1中(d)和图2中(d)。
38.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为43.2ml，见图3中(d)。
39.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为14.4nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差0.3nm。
40.实施例5：
41.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与58％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在40℃下反应2h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc粒径为10.3nm。见图1中(e)和图2中(e)。
42.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降
高度为52.1ml，见图3中(e)。
43.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为10.7nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差0.4nm。
44.实施例6：
45.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与60％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在60℃下反应1h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc粒径为8.1nm。见图1中(f)和图2中(f)。
46.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为60.9ml，见图3中(f)。
47.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为8.0nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差0.1nm。
48.实施例7：
49.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与62％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在40℃下反应1.5h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc粒径为6.6nm。见图1中(g)和图2中(g)。
50.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为68.1ml，见图3中(g)。
51.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为6.3nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差0.3nm。
52.实施例8：
53.纤维素纳米晶体粒径测定：将mcc与64％的硫酸溶液以固液比1：10(g：ml)的比例混合均匀，在50℃下反应2h，反复离心后得到稳定的cnc悬浮液，经透射电镜表征及分析软件image j测量得到该cnc粒径为4.3nm。见图1中(h)和图2中(h)。
54.纤维素纳米晶体沉降高度测定：将上述cnc稀释成浓度为0.2％的悬浮液，超声分散60min以上，使其充分分散，然后将分散后的cnc悬浮液加入100ml具塞量筒中，再加入3g nacl，溶解后充分震荡，室温下静置48h，观测cnc在量筒中的沉降高度并记录，得到其沉降高度为80.9ml，见图3中(h)。
55.纤维素纳米晶体粒径推测与对比：根据已知cnc的沉降高度及拟合函数y
(沉降高度)
＝-30.17ln(x
(cnc粒径)
)+123.64，推断得到cnc的粒径为4.1nm，与实际电镜表征得到的粒径尺寸相差0.2nm。
56.实例1-8以及图4均证明了沉降法检测纤维素纳米晶体粒径的准确性及可行性。