武汉大学学报(理学版) 2017, Vol. 63 Issue (4): 289-296
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李小鹏, 高山俊
LI Xiaopeng, GAO Shanjun
纤维素纳米晶4种巯基化改性方法的对比研究
Comparative Study of Four Thiolation Modification Methods of Cellulose Nanocrystals
武汉大学学报(理学版), 2017, 63(4): 289-296
Journal of Wuhan University(Natural Science Edition), 2017, 63(4): 289-296
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8836.2017.04.002

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收稿日期:2017-03-30
纤维素纳米晶4种巯基化改性方法的对比研究
李小鹏, 高山俊    
武汉理工大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 430070
摘要:通过4种不同的改性方法:酯化、酰胺化、Schiff碱反应、硅烷化反应,对纤维素纳米晶(CNCs)进行巯基化改性,通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)对其表面进行表征,采用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)评价其物理性能,通过与Ellman’s试剂反应确定其巯基含量,依据元素分析中硫元素含量确定CNCs的取代度.由于具有:1) 反应条件温和,如反应温度较低、反应时间较短以及用水作溶剂;2) 能较好地保持CNCs棒状形貌和结晶度指数(巯基化CNCs 80.3%);3) 较高的巯基含量(0.348 mmol/g)和取代度(0.224),Schiff碱反应是4种改性方法中较优的方法.
关键词纤维素纳米晶     巯基功能化     酯化     酰胺化     Schiff碱反应     硅烷化反应    
Comparative Study of Four Thiolation Modification Methods of Cellulose Nanocrystals
LI Xiaopeng, GAO Shanjun    
School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China
Abstract: Cellulose nanocrystals (CNCs) were proceeded to thiolation modification by four different modification methods including esterification, amidation, Schiff base reaction, and silylation reaction. Surface properties of CNCs were confirmed by FT-IR and XPS, physical properties were assessed by TEM and XRD, the thiol content was determined by being reacted with Ellman's reagent, and the degree of substitution of CNCs was determined by elemental analysis based on the sulfur content. Because of its more merits: 1) mild reaction conditions such as lower reaction temperature, shorter reaction time and utilizing water as solvent; 2) better retention of rod-like morphology and crystallinity index of CNCs (80.3 % for thiolated CNCs); 3) relatively more amount of thiol content (0.348 mmol/g) and higher degree of substitution (0.224), Schiff base reaction was the better modification way among the four modification ways.
Key words: cellulose nanocrystals     thiol functionalization     esterification     amidation     Schiff base reaction     silylation reaction    
0 引言

纤维素纳米晶(cellulose nanocrystals, CNCs)与玻璃纤维和碳纤维相比,具有高强度、高模量、可生物降解、可再生、生物相容性好、生产成本低等优点,其工业生产、应用以及学术研究受到极大关注[1, 2].CNCs首先由硫酸水解提取,其中纤维素的无序区优先被水解,结晶部分对酸具有较高抗性而保持完整[3].除了硫酸, 盐酸、氢溴酸和磷酸等也用于CNCs的制备[4, 5],此外,酶催化水解和离子液体水解也用于CNCs的提取[6, 7].但CNCs因为具有高的比表面积和丰富的表面羟基而容易发生自聚,限制了其力学增强效应,同时由于亲水性羟基的存在而与大部分疏水性聚合物基体的相容性较差[2, 8, 9].用来改变CNCs表面的理化性能以扩大其在疏水性聚合物中的应用[10]的表面改性方法有非共价和共价改性手段.其中,非共价方法通过静电相互作用、氢键以及疏水性作用实现对CNCs的改性.这种方法主要用来改善CNCs在非极性溶剂和疏水性聚合物中的分散性,较为简单但不太稳定[11~14];共价方法则是基于CNCs末端醛基[15]或表面羟基[16~19]与小分子的化学反应,例如,阳离子化、酰胺化和点击化学[20~22].除了小分子改性,采用“grafting-onto”和“grafting-from”两种策略的聚合物接枝方法则用于在CNCs表面引入大分子[23, 24].上述改性方法在CNCs表面引入例如羧基、醛基、叠氮基等新的官能团,巯基官能团则常利用酯化或硅烷化反应引入到CNCs表面[25, 26],但这两种方法实验过程繁琐、实验条件较为苛刻、需要使用有毒溶剂,且巯基引入含量较低.

基于此,本文通过比较4种不同的改性方法:酯化、酰胺化、Schiff碱反应、硅烷化反应,综合其反应条件、实验可操作性、对CNCs原始形貌和结晶度的保持情况、引入的巯基含量,探索优化的巯基改性方法.

1 实验部分 1.1 实验材料

棉短绒(湖北化纤股份有限公司,工业级),四甲基哌啶(TEMPO,分析纯,Sigma-Aldrich公司),5, 5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB,分析纯,Sigma-Aldrich公司),次氯酸钠(NaClO)、溴化钠(NaBr)、高碘酸钠(NaIO4)、氢氧化钠(NaOH),3-巯基丙酸(MPA)、半胱氨酸、3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、盐酸、丙酮、甲苯、二甲基甲酰胺(DMF)均为国产化学纯试剂.其中,甲苯和丙酮在使用前需用氢化钙干燥.实验用水为蒸馏水.

1.2 盐酸水解提取CNCs

未改性的CNCs根据文献方法[27]从棉短绒中提取.将棉短绒原料粉碎处理获得粉末,用2% NaOH溶液预处理12 h,用水洗净,在机械搅拌下用2.5 mol·L-1 HCl于105 ℃水解90 min,加入冰块终止反应,水洗、离心(3 500 r/min,10 min)若干次直至上清液呈中性,制备CNCs悬浮液,用水透析5 d,超声处理,冷冻干燥得到CNCs粉末.

1.3 CNCs的巯基化改性 1.3.1 酯化反应

对文献方法[26, 28]略作修改用于巯基化CNCs的提取.首先,对CNCs悬浮液进行溶剂置换处理(水溶剂到丙酮到DMF),然后将CNCs悬浮液(1%,300 g)转移至三口烧瓶中并预热至110 ℃,于氮气保护下加入3-MPA(2.40 g)反应17 h,最后水洗、离心、冷冻干燥得到产品(CNC-Esterification).

1.3.2 酰胺化反应

利用两步法制备巯基化CNCs.第一步,CNCs的TEMPO羧基化[19]:TEMPO (86.9 mg)和NaBr(953 mg)溶解于15 mL水中然后逐滴加入到CNCs悬浮液(1%,300 g)中,缓慢加入14 mL 14.5%的NaClO溶液,室温下反应4 h并用0.5 mol·L-1 NaOH维持混合液pH为10.最后,加入3 mL乙醇终止反应,用0.5 mol·L-1 HCl调节pH为6.5,水洗、离心.第二步,羧基化CNCs与半胱氨酸反应引入巯基[19, 29]:用0.5 mol·L-1 HCl或0.5 mol·L-1 NaOH调节羧基化CNCs的pH为7.5,然后在氮气保护下加入NHS(0.54 g),EDC(0.81 g)和半胱氨酸(2.73 g)并于室温反应24 h,结束后水洗、离心、冷冻干燥得到产品(CNC-Amidation).

1.3.3 Schiff碱反应

CNCs的Schiff碱反应包括两步.第一步,CNCs的NaIO4醛基化[18, 30].CNCs水性悬浮液(1%,300 g)加入进铝箔密封的三颈烧瓶,然后加入NaIO4(6 g)并在室温下反应3 h.接着,加入3 mL乙二醇终止反应,所得悬浮液离心水洗若干次.第二步,醛基化CNCs与半胱氨酸反应引入巯基[30, 31].首先用0.1 mol·L-1 pH 8.0 PBS缓冲溶液调节醛基化CNCs的pH至8.3,然后在氮气流下加入半胱氨酸(2.73 g)并于37 ℃反应5 h,结束后水洗、离心、冷冻干燥得到产品(CNC-Schiff base).

1.3.4 硅烷化反应

CNCs的硅烷化反应基于文献方法[25, 32]并略作修改:对CNCs悬浮液进行溶剂置换处理(水溶剂到丙酮到干燥的甲苯),然后将CNCs悬浮液(1%,300 g)转移至三口烧瓶中并预热至110 ℃,在氮气保护下加入MPTS(4.43 g),剧烈搅拌反应6 h,离心,并于110 ℃真空干燥4 h,分别用丙酮和蒸馏水进行离心清洗、冷冻干燥得到产品(CNC-Silylation).

1.4 样品表征

采用FT-IR 5700型光谱仪(Nicolet公司)测试样品的傅里叶变换红外光谱(FT-IR).制样前,对冻干样品进行整夜真空冷抽处理,采用KBr压片法制样,扫描范围4 000~400 cm-1,分辨率2 cm-1.

采用配备单色化AlKα(1 486.6eV)X射线源的PHI Quantera Ⅱ型电子光谱仪(Thermo Fisher Scientific公司)测试样品的X射线光电子能谱(XPS),以位于284.6 eV处的C1s信号为基准进行曲线校准.

采用H-7000FA型透射电子显微镜(Hitachi公司)在75 kV对样品的微观形貌特征进行分析.

用D/max-2500型X射线衍射仪(Rigaku Denki公司)测试CNCs粉末的X射线衍射分析(XRD)光谱.测试条件:CuKα1射线(λ = 0.154 nm),电压40 kV,电流60 mA,扫描范围2θ=5~70°.样品结晶度指数(CrI)由公式(1) 计算:

(1)

其中,I002是衍射角位于22.6°处主晶面(002) 的峰强度,Iam是衍射角位于18°处无序区的峰强度.

1.5 巯基含量的检测

采用Ellman’s试剂DTNB定量检测改性CNCs的巯基接枝含量(grafting content,GC).DTNB与巯基在pH 8.0的水溶液中生成的2-硝基-5-硫代苯甲酸(NTB-)可以离子化为黄色的NTB2-二价阴离子.巯基含量用NTB-的摩尔吸光系数按公式(2) 计算得到:

(2)

其中,c0(mol·L-1)为原始巯基浓度,A为412 nm处的吸光度;b为比色皿的路径长度(1 cm),ε为摩尔吸光系数(ε=14 150 L·mol-1·cm-1,412 nm),D为稀释因子(1.007).

1.6 巯基取代度的检测

1) 采用Vario EL cube型元素分析仪(Elementar公司)测试CNCs表面的巯基取代度,根据公式(3) 计算取代度(DS):

(3)

其中,y为样品中元素Y的质量分数,MYMR分别是元素Y和接枝基团R的分子量,NY(AGU)NY(R)分别是AGU重复单元和接枝基团R中元素Y的原子个数.

2) 根据巯基接枝含量计算CNCs表面的巯基取代度,如公式(4) 所示:

(4)

其中,n(SH)是Ellman’s试剂确定的巯基摩尔量,n(OH)是CNCs表面羟基的摩尔量,其值为1.554 mmol·g-1 [33].

2 结果与讨论 2.1 CNCs巯基化改性的反应条件

CNCs 4种巯基化改性方法的反应条件总结于表 1中.

表1 CNCs 4种巯基化改性方法的反应条件 Table 1 Overall reaction conditions of four thiolation modification methods of CNCs
Modification methodsModifierSolventTemperature/℃Time/hOther additives
Esterification3-MPAacetone/DMF11017-
AmidationCysteineNaOH/HCl solutionR.T.4/24NaClO/TEMPO/NaBr,
EDC/NHS
Schiff baseCysteinewaterR.T./373/5NaIO4
SilylationMPTSacetone/toluene100/1106/4-

其中,Schiff碱反应以水作溶剂,而在酯化和醚化反应中分别采用有毒的DMF和甲苯溶剂,另外,Schiff碱反应在相对较低的温度下进行且总的反应时间也较短.

2.2 CNCs化学改性的反应机理

纤维素纳米晶4种巯基化改性方法的反应机理如图 1所示.图 1A中,酰胺化反应只能与CNCs表面的伯羟基(C6位)发生反应,图 1C中,Schiff碱反应可以与CNCs表面的两个仲羟基(C2和C3位)反应,而图 1B图 1D中,酯化反应和硅烷化反应可以与CNCs表面3个羟基反应.因此,在相同的摩尔投料比且不考虑3个羟基活性差异的条件下,在理论计算上,每g改性CNCs的巯基含量或者取代度由大到小顺序为:硅烷化/酯化反应,Schiff碱反应,酰胺化反应.

图 1 CNCs巯基化改性反应机理图 A:酰胺化;B:酯化;C:Schiff碱;D:硅烷化 Figure 1 Reaction mechanism diagrams of thiolation modification of CNCs A: amidation; B: esterification; C: Schiff base; D: silylation
2.3 巯基化改性前后CNCs样品表征

改性后CNCs样品的FT-IR光谱如图 2所示.对于酰胺化反应(图 2A),CNCs中3 360 cm-1和2 900 cm-1处吸收峰分别对应羟基和C-H的伸缩振动峰,TEMPO氧化后,于1 725 cm-1处出现羧基的特征峰,与半胱氨酸反应后,于2 536 cm-1出现巯基的吸收峰,同时,羧基转化为分别位于1 680 cm-1和1 490 cm-1处的酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带,表明利用酰胺化反应在CNCs分子中引入了巯基.对于Schiff碱反应(图 2B),在2 536 cm-1和1 610 cm-1处新出现的两个峰,分别对应巯基和亚胺基[34],证明CNCs分子中引入了巯基.在酯化反应中(图 2C),位于2 536 cm-1处的巯基特征峰很微弱不易辨别,但在1 735 cm-1处检测到一个新峰,源自CNCs和3-MPA间酯化反应生成的酯基的特征峰,间接证明了在CNCs分子中引入了巯基.在硅烷化反应中(图 2D),2 536 cm-1处新出现的巯基和812到704 cm-1附近的Si-O-Si或Si-O-C共同证明CNCs成功改性.

图 2 CNCs改性前后的FT-IR光谱 A:酰胺化;B:酯化;C:Schiff碱;D:硅烷化 Figure 2 FT-IR spectra of pristine CNCs and thiolated CNCs A: amidation; B: esterification; C: Schiff base; D: silylation

通过XPS对CNCs表面改性进一步表征.在XPS全谱图(图 3)中,与未改性CNCs相比,对于酰胺化和Schiff碱反应,在402 eV处出现N1s的新峰,而对于硅烷化反应,在100 eV处出现Si2p显著的新峰.C1s谱图被分解为若干组分(如表 2所示):C-C/C-H(285 eV),C-N (286.2 eV),C-O (286.5 eV),O-C-O/C=O (288.05 eV),O-C=O (289.0 eV)[19].可以明显的看出,酰胺化和Schiff碱样品中C-N组分(分别从0增加至13.5 %和20.9 %)以及酯化反应样品中O-C=O组分(从1.9 %上升至10.7 %)的显著变化均可以证明CNCs表面的羟基成功转变为巯基.

图 3 CNCs改性前后的XPS全谱图 Figure 3 General XPS spectra for pristine CNCs and thiolated CNCs
表2 C1s信号分解获取的表面功能基团组分比例 Table 2 Surface functional group composition of pristine CNC and thiolated CNC obtained from the decomposition of the C1s signal
%
SamplesC-C/
C-H
C-NC-OO-C-O/
C=O
O-C=O
CNC22.4060.115.61.9
CNC-Amidation22.613.546.616.11.2
CNC-Schiff base21.320.942.214.70.9
CNC-Esterification23.6043.722.010.7
CNC-Silylation37.2048.913.50.4

CNCs改性前后的形貌变化通过TEM进行表征.在图 4A中,未改性CNCs呈现棒状形貌,长度范围为214±34 nm,直径为19.1±2.2 nm,结果与文献报道相一致[27].利用酰胺化和Schiff碱进行巯基化改性的CNCs(图 4B图 4C所示),其棒状形貌得以较好保持,且CNCs轮廓比较清晰,但尺寸略有降低,汇总于表 3.采用酯化和硅烷化进行巯基化改性的CNCs(图 4D图 4E所示)棒状轮廓变得模糊,可能是由于这两种改性方法分别采用DMF和甲苯作为有机溶剂,且在较高温度下反应(约100 ℃)造成巯基化过程中纤维素分子部分溶解所致.

图 4 未改性CNCs(A)和改性CNCs(B-E:依次为酰胺化、Schiff碱、酯化、硅烷化反应)的TEM图 Figure 4 TEM images of pristine CNCs (A) and thiolated CNCs prepared from: amidation (B), Schiff base (C), esterification (D), silylation reaction(E)
表3 改性前后CNCs的来自TEM照片分析的尺寸和来自XRD分析的CrI Table 3 Dimensions obtained from TEM image analysis and CrI acquired from XRD measurement of pristine CNCs and modified CNCs
SamplesParticulate dimensions/nmCrI/%
LengthDiameter
CNC214±3419.8±2.284.1
CNC-Amidation208±3018.2±4.181.8
CNC-Schiff base191±4619.3±5.480.3
CNC-Esterification197±4018.8±3.283.7
CNC-Silylation201±3120.9±3.676.1

XRD测试用来表征巯基化改性对CNCs结晶特性的影响.图 5给出了改性前后CNCs的XRD图,同时,表 3总结了改性前后CNCs的结晶度指数.所有的样品在34.4°,22.6°,16.4°和14.7°处均出现纤维素Ⅰ型明显的特征峰[35],表明CNCs在巯基化改性过程中未发生实质性的结构改变.另外,与未改性CNCs相比,巯基化CNCs的结晶度指数均有一定程度的降低,特别是采用硅烷化方法改性的CNCs,其结晶度指数降低很多,可能原因是接枝基团的疏水性增强导致CNCs表面取代链的剥离效应.

图 5 未改性CNCs和巯基化CNCs的XRD图 Figure 5 XRD images of pristine CNCs and thiolated CNCs
2.4 巯基取代度和接枝含量计算

由元素分析的结果计算巯基取代度,汇总于表 4.与未改性CNCs相比,所有改性CNCs样品中均现了S元素,酰胺化和Schiff碱改性的样品中同时有N元素的出现.由Ellman’s试剂确定CNCs表面巯基接枝含量和取代度的结果同时汇总于表 4.另外,由Ellman’s试剂得到的取代度略微低于由元素分析获得的取代度,可能的原因是前者只能与自由巯基进行反应,而后者检测的是全部硫元素的含量,其中包含了自由巯基,同时也有部分由巯基氧化而成的二硫键.

表4 未改性CNCs和改性CNCs的元素分析结果以及Ellman’s试剂结果 Table 4 Elemental analysis outcomes of pristine CNC and modified CNC
Name of samplesElement content/%DSaGCb/μmol·g-1DSb
NCHS
CNC0.0043.346.710.000.0000
CNC-Esterification0.0043.056.351.050.05680.044
CNC-Amidation0.9842.776.680.970.05740.048
CNC-Schiff base1.6941.926.431.550.081290.083
CNC-Silylation0.0042.876.371.830.101410.091
 注:a 表示结果来自元素分析,b表示结果源自Ellman’s试剂

综上所述,尽管通过硅烷化反应制备的巯基化CNCs取代度或者巯基含量比其他3种方法高,但得到的巯基化CNCs结晶度指数最低.因此,综合比较4种改性方法的实验条件、CNCs改性前后形貌和结晶度指数的保持情况以及在相同投料比下引入巯基含量的多少,Schiff碱反应是制备巯基功能化CNCs较优的方法.

3 结论

本文利用酰胺化、酯化、Schiff碱和硅烷化反应4种方法制备了巯基功能化的纤维素纳米晶,其中,酰胺化和Schiff碱反应目前尚无文献报道过.改性的CNCs样品基本维持其棒状形貌,除硅烷化反应的结晶度指数显著降低外,其他3种改性方法的CNCs结晶度指数只有轻微的降低,Schiff碱反应巯基取代度和接枝量较高,且其操作可以在相对温和的实验条件下进行,为较优的巯基功能化改性方法.

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