量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为14U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到48°C，振荡频率为128rpm，反应120h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 60min(也即13h为一个周期），超声波功率为400W，整个酶解过程中共超声9次。反应结束后， 取出样品，llOOOrpm离心10min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿 并置于-19°C冷冻20-30h，然后经-78°C冷冻干燥50h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0031] 对比例1
[0032]准确称取6g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为10U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到50°C，振荡频率为126rpm，反应72h使纤维素发生酶解。反应结束后，取出样品， lOOOOrpm离心20min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-20 °C冷冻24h，然后经-80°C冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0033] 对比例2
[0034]准确称取10g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为12U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到55°C，振荡频率为130rpm，反应96h使纤维素发生酶解。反应结束后，取出样品， 1 lOOOrpm离心15min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-24 °C冷冻20h，然后经-85°C冷冻干燥45h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0035] 对比例3
[0036] 准确称取8g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为15U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到45°C，振荡频率为120rpm，反应120h使纤维素发生酶解。反应结束后，取出样 品，12000rpm离心10min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-18 °C冷冻28h，然后经-75 °C冷冻干燥50h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0037] 对比例4
[0038] 称取100g秸杆纤维素，加到lOOOmL的65%的硫酸溶液中搅拌均匀，50°C水解90min 后采用100W超声波处理30min(-次），加入8000mL的去离子水终止反应。得到的乳白色悬浮 液，采用1 lOOOrpm离心10min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体。将胶体液倒入平皿中 置于冰箱在-20°C冷冻24h，然后经-80°C冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0039] 对上述实施例1-6及对比例1-4制得的纳米纤维素晶体进行以下检测分析：
[0040] (1)纳米纤维素晶体长度
[0041 ] 纳米纤维素的透射电子显微镜（TEM)分析:配制0.01 % (w/v)的纳米纤维素悬浮 液，准确量取20yL的悬浮液浸没碳涂层铜网，冷冻干燥后用醋酸双氧铀染色20min，室温干 燥5min。使用透射电子显微镜在80kV条件下分析晶体长度。透射电镜的结果见图1。
[0042] 纳米纤维素平均粒径的测定:纳米纤维素的粒径使用动态激光光散射仪测定。首 先配制0.02 %的纳米纤维素溶液，室温下超声5min后，移液枪取lmL溶液，沿玻璃皿边缘缓 缓注入后，放入测试台中测试，每个样品分别测试三次，取平均值。
[0043] (2)纳米纤维素晶体热稳定性:采用热重分析仪(TG)测定不同纳米纤维素的热重 变化。称取待测样品4_5mg，采用N 2气氛，温度范围30-500 °C，升温速度为20°C · mirT1。结果 如图2所示。
[0044] (3)纳米纤维素晶体结晶度:待测样品平衡水分，样品经粉碎后，过180目筛。采用 铜-钴放射线，波长范围为1.54nm;管压40kV，管流40mA，扫描区域为衍射角为4°-40° ;衍射 速度为:〇.〇1°衍射角/3s。
[0045] X'Pert High Score Plus分析样品的结晶度，采用曲线相对高度(峰强度法）即由 相应位置的衍射峰强度相对大小来计算其结晶度，结果如图3所示。结晶度表示如下。
[0046] X = -〇：_/，，H·'xlOO Imt
[0047] 式中X。为结晶度
[0048] I(X)2为(002)晶面衍射强度；
[0049] Iam为无定形区衍射强度，纤维素1，1_为20 = 18.〇°的衍射强度
[0050] (4)纳米纤维素晶体的得率
[0051] 真空冷冻干燥制得的纳米纤维素晶体，采用分析天平秤重。纳米纤维的得率按照 方程计算：
[0052] 得率=mi/m2X100
[0053] 式中:1m为冻干的纳米纤维素晶体的质量
[0054] m2为秸杆纤维素的质量
[0055] 表1实施例1-6及对比例1-4制得纳米纤维素晶体的性能表
[0056]
LUUS/」 从衣1甲η」以有出，fflKt木便用趙戶職舺，趙戶袖助職云制爸侍到的納木针维系 晶体的结晶度和得率更高，粒径（即表1中的长度）则更小。相比超声处理30min，超声处理 60min制备得到的纳米纤维素的得率增加，结晶度增加，粒径减少，热稳定性降低。相比于超 声辅助酸法，超声辅助酶法制备的得到的纳米纤维素晶体的热稳定性更高，而粒径则更小。 另外，从表1中还可以看出采用超声辅助酶解法，通过控制超声和酶解的时间可制备出粒径 可控的纳米纤维素。
[0058]本发明制备的纳米纤维素粒径小，比表面积大，亲水力和持水力强，在冰淇淋基本 配方中加入，有助于保持冰淇淋形体，延长融化时间，提高冰淇淋的耐贮藏性。由于微米尺 度的填料对聚合物力学性能的增强甚微，而纳米尺度的填料由于其粒径小，比表面积大，因 其表面效应(如小尺寸效应，量子效应等)大幅度提高了与聚合物大分子间的作用力。粒径 小的纳米纤维素在用量很少时即可对高分子材料起到明显的增强效果。本发明纳米纤维素 的结晶度高，其熔解时需要较多的能量来摧毁晶格，所以由固体转化为熔融的熔体时需要 输入较多的热量。提高了纳米纤维素的热稳定性，增加了其在纳米复合材料中的应用，使其 制备的纳米复合材料耐热，不易降解。
【主权项】
1. 一种纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，步骤如下：用pH 4.8的乙酸-乙酸钠 缓冲液配制浓度为0.03-0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素酶进行酶解，纤维素酶在溶液 中的浓度为10_15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行超声，每次超声时间为30-60min;反应结 束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。2. 根据权利要求1所述的纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，所述酶解温度为 45-55 Γ。3. 根据权利要求1所述的纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，所述酶解在振荡环 境下进行，振荡频率为120-130rpm。4. 根据权利要求1所述纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，所述酶解时间为72-120h〇5. 根据权利要求1所述纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，所述超声功率为300-40016. 根据权利要求1所述纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，反应结束后的具体操 作为：取出样品，10000-12000rpm离心10-20min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将 胶体液倒入平皿并置于在-24-18°C冷冻20-30h，然后经-85-75°C冷冻干燥45-50h得到粉 末状纳米纤维素晶体。
【专利摘要】一种纳米纤维素晶体的制备方法，步骤如下：用pH4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制浓度为0.03-0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素酶进行酶解，纤维素酶在溶液中的浓度为10-15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行一次超声，每次超声时间为30-60min；反应结束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。本发明采用纤维素内切酶结合超声物理方法制备一维棒状纳米纤维素，该方法具有安全、无污染、高效、耗能低的优势，采用该方法制备得到的纳米纤维素晶体得率高、结晶度高、热稳定性好、粒径小。
【IPC分类】C12P19/04, C12P19/14
【公开号】CN105603020
【申请号】CN201610038690
【发明人】孙庆杰, 熊柳, 崔少宁, 秦洋, 杨洁, 常然然
【申请人】青岛农业大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月21日