油茶果壳中纳米纤维素的分离与成膜性能图5彩印.DOC

1、油茶果壳中纳米纤维素的分离与成膜性能 （图 5 彩印） 姚 进 1,3李 知 函 2,3史 军 华 1,3 曾 广 胜 3 朱 和 平 1* （ 1 湖南工业大学 包装设计艺术学院 ，湖南 株洲 412007； 2 广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室，广西 南宁 530004； 3 湖南工业大学 包装 与材料工程学院 ， 湖南 株洲 412007； ） 摘要： 以茶籽油生产过程中的废弃物 油茶果壳为研究对象，首先采用亚硫酸盐预蒸煮实现纤维素 、半纤维素 和木素、 茶皂素 等组分的分离，然后经 硫 酸 热 水解得到油茶果壳纳米纤维素，最后压滤制 得 高强度透 明薄膜。 利用 SEM、 TEM

2、、 XRD、 TG、 UV-Vis、电子万能试验机对纳米纤维素及其薄膜进行了结构表征与热学性能、光学性能、力学性能测试。 实验结果表明 ， 从油茶果壳中提取分离得到的纳米纤维素呈棒状，直径为 6 10 nm，长度为 300 500 nm，属于纤维素 I 型，结晶度为 68%，热分解温度为 230 ；压滤制备得到的纳米纤维素薄膜， 膜厚度为 0.03 mm 时，在 600 800 nm 波段处透光率 为 76% 81%，拉伸强度为 75.6 MPa，可用于制备高强度 的 透明食品薄膜包装材料。 关键词： 油茶果壳；纳米纤维素； 透明薄膜；生态包装材料 中图分类号： TS71+1 文献标识码： A

3、 Structural and Properties of Cellulose Nanocrystals Isolated From the Fruit Shell of Camellia Oleifera Abel Jin Yao1,3 , Zhihan Li2,3 ,Junhua Shi1,3 ,Guangsheng Zeng3 ,Heping Zhu1* 1.School of Packing Design NO. 2016ZBLB02). 基金项目 ： 湖南省科技厅重点研发计划项目（ 2017WK2042） , 湖南省自然科学基金项目(2017JJ4006)，湖南省研究生创新基金项目

4、(CX2016B633),广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室开放项目（ KF201712），湖南工业大学 “绿色包 装与安全 ”重点项目 (2016ZBLZ02）与 “绿色包装与安全 ”博士生专项项目（ 2016ZBLB02)。 作者简介： 姚进，博士 生 ，电话： 0731-28182031， E-mail:. 联系人： 朱和平（ 1965-），男，教授，博士，博士生导师 ，电话： 0731-28182031，E-mail:。 随着地球人口高速增长，全球性的生态破坏、环境污染和资源短缺等问题日益凸显， 如何对 自然 资源进行充分利用是当前人类面临的重要 课题 1。 木质纤维 素 是纤维素

5、、半纤维素和木素的总称 ， 其是 地球上最丰富 、 最廉价的可再生 生物质 资源，可作为 生产 清洁 能源 和精细化工品的基本原料 ， 广泛存在于木材资源和非木材资源中 2。 我国是一个木材资源相对贫乏，而非木材资源 如竹子、 芦苇 、 蔗渣 等 却 十分丰富的国家 。其中， 油茶 （ Camellia oleifera Abel）为山茶科山茶属植物，主要分布在长江流域以南。 据统计，我国现有油茶 种植 面积约6000 万亩， 年产茶籽 200 万吨左右 3。目前 ， 油茶的主产物茶油和茶皂素已经广泛应用于食品、医药、日化等领域 4，但油茶果壳作为油茶加工 过程中最大的副产物 ， 每年的油茶

6、果壳 产量 即 为 400 万吨，其中大部分被丢弃或仅作为干柴进行燃烧，是对自然资源的极大浪费5。 目前 有关 油茶果壳 利用的报道 大多是以油茶果壳为原料 ，通过化学预处理 后制备成 多孔活性炭材料 用来 吸附染料和重金属离子， 或通过热裂解制备生物油 6。 Sun 对油茶 果 壳的主要化学成分进行分析后发现， 其 主要组分 从高到低依次 为 ： 木素 、 半纤维素 、 纤维素 、 茶皂素 和 单宁 酸 ， 其中 纤维素 质量分数 约 占 20%7。纳米纤维素是一种拥有纳米尺度的天然材料，广泛存在于木质纤维 素 中，其直径一般在 100 nm 以下，长度 从 100 nm 到几微米不等，具有

7、优异的刚性强度和杨氏模量 。 另外，纳米纤维素还具有高比表面积，作为纳米复合材料增强相，具有十分广阔的应用前景 8，但目前尚未看到利用油茶果壳中的纤维素制备纳米纤维素的相关报道 。 本 文 以 油茶果壳为原料， 采用 亚硫酸盐 蒸煮 法 和过氧化氢 漂白 脱除油茶果壳中 非纤维组分得到油茶果壳纤维素，再经过 硫 酸 热 水解制得油茶果壳纳米纤维素 并制 备 成纳米纤维素透明薄膜 ， 并与常见的可降解高分子薄膜 聚乳酸 (PLA)；聚乙烯醇 (PVA) 进行了对比实验，旨在为 制备高附加值 的 可再生纳米新材料 和 油茶果壳的高值化 利用提供一定的理论基础 。 1 实验部分 1.1 主要原料和仪

8、器 油茶果壳 ： 湖南大三湘油茶股份有限公司 ； 本实验所使用的 硫 酸 、 亚硫酸钠 、过氧化氢、蒽醌 、 氢氧化钠 等 试剂 均为 AR， 购自于 国药集团化学试剂有限公司 ； 聚乙烯醇（型号 1799，醇解度 99 %） 和 聚乳酸（ PLA， Mw=1 105） 购自于 深圳市易生新材料有限公司 。 Biosafer1200-98 超声波细胞破碎仪（中国赛飞公司）； D8 ADVANCE X 射线多晶衍射仪（德国 Bruker 公司）； SDT Q600 热重分析仪（ 美国 TA 公司 ） ； JSM-6510 扫描 电子显微镜（ 日本 JOEL 公司 ） ； JEM-2100 透射电

9、子显微镜（日本 JOEL 公司）； AG-IC50kN 电子万能试验机（ 日本 Shimadzu 公司）； SPECORD 210 PLUS 紫外可见分光光度计（ 德国 Analytik Jena AG 公司 ）。 1.2 纳米纤维素及其薄膜的制备 纤维素 的分离与纯化 ：首先采用亚硫酸盐蒸煮法 9对油茶果 壳 中的 综纤维素进行分离 。移取 1 kg 绝干 的 油茶果壳、 80 g 亚硫酸钠 、 15 g 氢氧化钠和 5 g 蒽醌 至 电热旋转蒸煮锅中，加入 6 L 蒸馏水，密封后于室温下旋转浸渍 30 min。设 定蒸煮锅的 最高加热温度为 160 ，升温时间为 60 min，保温时间为

10、45 min。 蒸煮完成后 ，用自来水洗涤 至中性 ， 得到油茶果壳 综 纤维素 ， 得率为 30 %。准确移取 10 g 油茶果壳综纤维素至圆底烧瓶中，加入 0.2 g 氢氧化钠、 2 mL 质量分数为 30 %的过氧化氢溶液和 100 mL 去离子水， 80 油浴 磁力搅拌下反应 90 min 后离心洗涤至中性，即得到油茶果壳 纤维素 ，得率为 54 %。 纳米纤维素的制备 ： 采用经典的硫酸 热 水解 法 制备纳米纤维素 10。 精确 称取 5 g 绝干油茶果壳 纤维素 至圆底烧瓶中，加入 30 mL 质 量分数为 64 %的浓硫酸 水 溶液，升温至 50 反应 45 min，加入 30

11、0 mL 去离子水中止反应，高速 离心洗涤至 pH 值 为 中性，冷冻干燥即可得到油茶果壳纳米纤维素 ， 得率为 51 %。 纳米纤维素薄膜的制备 ：配置 质量浓度 1030 g/L 的油 茶果壳纳米纤维素 悬浮液，在 超声波细胞粉碎仪中处理 10 min 后 转移 至滤膜系统中 ， 采用真空抽滤法 11制备纳米纤维素膜，真空干燥后转移至恒温恒湿室 中 ，以备后续表征。 同时将 PVA 和 PLA 分别溶于去离子水和氯仿中，在 聚 四氟乙烯模具中 浇铸 成膜。 1.3 油茶果壳化学组分的测定 油茶果壳中的 纤维素 和 半纤维素含量的测定参见 美国纸浆与造纸工业技术协会行业标准 TAPPIT25

12、7 om-09，木素含量的测定参见 TAPPI T222 om-11，灰分 含量的测定参见 TAPPI T211 om-12， 抽提物含量的测定参见 TAPPI T207 cm-0812。 1.4 纳米纤维素及其薄膜的表征 1.4.1 SEM 表征 纯化后的油茶果壳纤维 素 及 油茶果壳 纳米纤维素薄膜断裂面的形貌通过扫描电镜进行分析。采用离子溅射镀膜机对样品喷金处理后，在加速电压 5 kV 条件下对样品进行观察。 1.4.2 TEM 表征 配置质量分数为 0.01 %的油茶果壳纳米纤维素悬浮液， 超声分散 30 min，用移液枪取20 L 滴 到 碳膜铜网上， 利用磷酸双氧铀 染色剂在铜网上

13、负染数分钟， 风干 过夜。在 120 kV加速电压条件下 对 油茶果壳纳米纤维素的形貌 进行观察 。 1.4.3 XRD 表征 取 冷冻干燥 后 的油茶果壳 纳米纤维素磨粉 取样进行测试。样品的 X 射线衍射分析的实验条件 ：以 CuK（ =0.154 nm）为靶材 ，扫描 衍射角 (2)范围为 5 50，扫描步长 0.04，扫描速度 0.02（ ） /s。 结晶度指数 （ CrI） 的计算依据 Segal 经验公式 13: / 1 0 0 %c a cCr I I I I 式中 Ic代表纤维素 （ 002） 晶面的衍射强度， Ia 代表纤维素无定形区的衍射强度。 1.4.4 热 学性能测试

14、称取 510 mg 冷冻干燥后的油茶果壳纳米纤维素，在 SDT Q600 型 热重分析仪上分析样品的热稳定性能。测试条件：氮气保护， N2 流量为 25 mL/min，从 25 升温至 600 ，升温 速率为 10 /min。 1.4.5 力学性能测定 采用电子万能试验机测定油茶果壳纳米纤维素薄膜的力学性能 14。测试条件 : 恒温恒湿环 境中 ，首先测量薄膜的厚度，然后 将膜裁成 40 mm 5 mm 长的矩形条，使用 100 N 的传感器，调整钳间距为 20 mm，拉伸速率为 1 mm/min， 进行力学性能测定 。 每个样品 做 至少 3 个平行样，取其算数平均值 。 1.4.6 光学性

15、能测试 采用紫外分光光度计对油茶果壳纳米纤维素 薄 膜进行扫描，波长设置为 2001000 nm，扫描速度为 500 nm/min。 2 结果与讨论 2.1 原料的成分分析 对油茶 果壳在纯化过程中的化学组分变化进行 了 分析 ， 结果如表 1 所示。 表 1 油茶果壳在纯化阶段的化学组分 质量分数 Table 1 Chemical composition of SCOA at each stage of treatment w(油茶果壳 )/% w(油茶果壳综纤维素 )/% w(油茶果壳纤维素 )/% 纤维素 117.8 65.6 84.0 半纤维素 19.5 11.6 - 木素 22.6

16、14.0 - 茶多酚 15.8 - - 单宁酸 8.5 - - 灰分 1.5 1.2 1.0 -表示 未 检测出 未经处理的油茶果壳原料中含有质量分数为 22.6 %的木 素、 19.5 %的半纤维素和 17.8 %的 纤维素 ，表明油茶果壳可作为制备纳米纤维素的原材料。 油茶果壳 经亚硫酸盐法预蒸煮和过 氧化氢漂白处理后， 非纤维组分如茶多酚、单宁酸、 木 素和半纤维素被大量去除，油茶果壳综纤维素和 油茶果壳纤维素 中 纤维素 质量分数分别提高至 65.6 %和 84.0 %，表明本实验所采用的预处理方法适用于油茶果壳中 纤维素 的纯化与后续纳米纤维素的快速制备。 2.2 油茶果壳纤维及纳米

17、纤维素 形态特征分析 油茶果壳 纤维与油茶果壳 纳米纤维素 的宏观形貌和微观结构 如图 1 所示。 图 1 油茶果壳 实物图 （ a） ； 油茶果壳综纤 维素 （ b） ； 油茶果壳纤维素 （ c） 的 SEM 图 和油茶果壳纳米纤维素的 TEM 图 （ d） Fig.1 Photo of raw SCOA (a), SEM of purified holocellulose (b), cellulose (c) from SCOA, and TEM of CNC (d) 天然油茶果壳 原料 的形貌如图 1 a 所示 ，经过亚硫酸 盐 蒸煮 法 脱除了茶多酚 、 单宁酸 和部分木素 的油茶果壳

18、综纤维素中 （图 1 b） ，已经可以看到少量的 单根纤维和纤维束结构。而进一步 采用 过氧化氢漂白脱除残余木素和半纤维素后的油茶 果壳纤维素中（图 1 c）纤维束已经完全分散成单根纤维 ，适用于纳米纤维素的快速制备 。 将本实验制得的油茶果壳纳米纤维素 分散于去离子水中，静置一周后仍然呈现良好分散状态，无明显絮聚现象 （ 如图 1d） 。对 100 个分散良好的油茶果壳纳米纤维素样品进行统计后发现，油茶果壳纳米纤维素长度（ L） 在 300500 nm 之间，直径 （ D） 为 610 nm，具有较高的长径比（ L/D50）。由于纳米纤维素晶体作为天然高分子材料，不仅具有纳米材料的高比表面积

19、，还具有极高的杨氏模量（ 150 GPa）和张力（ 10 GPa） 15，可作为 增强相应用于聚乳酸和聚羟基脂肪酸酯等可降解生物塑料中起到增强增韧的作用。因此，本实验制备得到油茶果壳纳米纤维素具有广泛的应用前景。 2.3 XRD 分析 图 2 为油茶果壳、油茶果壳纤维素和 油茶果壳 纳米纤维素样品的 X 射线衍射谱图。 10 20 30 40 50010002000300040005000油茶果壳纳米纤维素Intensity count2 ( )油茶果壳油茶果壳纤维素1622.5样品 C r I %油茶果壳 2 8 %油茶果壳纤维素 6 1 %油茶果壳纳米纤维素 6 8 %图 2 油茶果壳原料

20、、油茶果壳纤维素和 油茶果壳 纳米纤维素的 XRD 衍射图 Fig.2 XRD analysis of raw SCOA, purified cellulose and CNC. 其中，未经处理的油茶果壳原料中包含纤维素 、半纤维素、木素、单宁酸和茶皂素这几种主要成分，纤维素含量不高，因此油茶果壳的结晶度较低（ 28 %）。在纯化后的油茶果壳纤维素的衍生峰中， 2=16的衍射峰对应着纤维素 I 型的 （ 101） 晶面， 2=22.5左右的衍射峰对应着典型的纤维素 I 型的 （ 002） 晶面，其结晶指数提高至 61 %。这是因为由于亚硫酸盐蒸煮预处理 导致 单宁酸、茶皂素和破坏 了 木 素的

21、非结晶区域，从而提高了油茶果壳纤维素的结晶度。而经硫酸 热 水解后制得的纳米纤维素的衍射峰强度更大，结晶指数进一步提高至 68 %，表明纤维素的无定形区被破坏，油茶果壳纳米纤维素的结晶度得到有效提高。结晶度的提高有助于增强纳米纤维素的强度，从而进一步提高其在可降解复合材料中的机械性能 15， 16。 2.4 热重稳定性分析 图 3 为油茶果壳、油茶果壳纤维素和 油茶果壳 纳米纤维素的热重曲线。 100 200 300 400 500 600020406080100Tempret ure (oC )Weight(%)油茶果壳纳米纤维素油茶果壳油茶果壳纤维素样品 初始降解温度 (oC )油茶果壳

22、2 0 0油茶果壳纤维素 2 3 5油茶果壳纳米纤维素 2 3 0图 3 油茶果壳原料、油茶果壳纤维素和 油茶果壳 纳米纤维素的热重曲线 Fig.3 TGA curves of raw SCOA, purified cellulose and CNC. 由图可知，所 有样品在 50160 区间都出现了轻微的质量损失（ 0.46 %0.86 %），与样品中吸附的水蒸发有关。油茶果壳在 200 左右开始出现明显的质量下降，其降解温度区间主要集中于 200360 ，这是由于原料中的单宁、茶皂素、半纤维素和木 素发生脱水和热分解引起的 17。相比较于油茶果壳原料，油茶果壳纤维素和纳米纤维素样品的热解温

23、度分别上升至 235 和 230 。这表明脱除了单宁、茶皂素、半纤维素和木 素后，样品的热稳定性得到显著提升。与油茶果壳纤维相比，经硫酸 热 水解制得的纳米纤维素因为表面存在硫酸盐基 团从而略微降低了热稳定性。热重分析结果表明，通过亚硫酸盐预蒸煮、过氧化氢漂白和酸处理去除油茶果壳中的非纤维素杂质，可以提高油茶果壳纤维素纳米晶体的热稳定性。因此，本实验制得的油茶果壳纳米纤维素可应用于需要良好热稳定性的复合材料的增强材料。 2.5 纳米纤维素膜的力学性能分析 表 2 显示 的是 不同厚度的油茶果壳纳米纤维素膜 与 PLA、 PVA 薄膜 的 拉伸强度、 拉伸应变和杨氏模量 ， 图 4 为不同厚度的

24、油茶果壳纳米纤维素薄膜的断裂面 SEM 图 。 表 2 油茶果壳纳米纤维素膜 及 PLA、 PVA 薄膜 的力学性能参数 Table 2 Mechanical properties of different films 样品 拉伸应变 (mm/mm) 拉伸强度 (MPa) 杨氏模量 (MPa) 0.02 mm 纳米纤维素 0.03 70.1 5050 0.03 mm 纳米纤维素 0.04 75.6 5200 0.04 mm 纳米纤维素 0.02 66.6 4400 0.03 mm PLA 薄膜 0.04 36.0 4600 0.03 mm PVA 薄膜 0.03 47.2 5100 a-0.0

25、2 mm； b-0.03 mm； c-0.04 mm 图 4 不同厚度的 油茶果壳纳米纤维素 薄膜的断裂面微观形态 Fig.4 SEM micrographs of fractures surface of different nanopaper 由表 2 可知，纳米纤维素膜的力学性能随着膜厚度的增加先增强后降低，当膜厚度为0.03 mm 时，其 拉伸强度 和杨氏模量 都 达到最大值 ，与同等厚度的 PLA 和 PVA 薄膜相比，纳米纤维素薄膜 具有更好的拉伸强度 。 结合图 4 中油茶果壳纳米纤维素薄膜的断裂面 形貌进行观察，发现纳米纤维素在 薄膜 中 呈现 有序 层状 排列，内部结构紧密

26、，且随着薄膜厚度增 加，层状致密程度也逐步提升 。 同时由于 本文制备的油茶果壳纳米纤维素平均直径较小，相比较于 0.02 mm 和 0.04 mm 的纤维素膜 中存在较多的 微小空 洞 ， 0.03 mm 的纤维膜在具有更加立体、密集的网状结构的同时，还具有良好的膜表面平整性和均一性，在力学性能测试中表现出更好的物理性能。 2.6 纳米纤维素膜的光学性能分析 图 5 为 0.03 mm 厚度的油茶果壳纳米纤维素膜 、 PLA 和 PVA 薄膜 的 紫外可见光 透 过率曲线及 纳米纤维素膜的 实物照片。 200 400 600 80020406080100PLA 膜油茶果壳纳米纤维素膜PVA

27、膜Transparency (%)Wavenum ber ( nm )(a )图 5 油茶果壳纳米纤维素膜 、 PLA 膜和 PVA 膜 的紫外可见光透过率 （ a） 及 油茶果壳纳米纤维素 纤维素膜的 数码图片 （ b） Fig 5. Demonstration of the derived nanocellulose as a building block for the transparent nanopaper, (a) transmittance curves of the nanopaper, PLA and PVA film, (b) digital photo of the t

28、ransparent nanopaper 如图 5a 所示，在 400800 nm 波段处，纳米纤维素薄膜表现出较高的透光性，透光率超过 60 %，尤其在 600800 nm 波段处，透光率为 76 %81 %，已 超过 目前商品塑料包装薄膜中的纯 PLA 薄膜 （ 73 %） ，并且接近于 PVA 薄膜 （ 91 %） 。结合图 5b 可以直观看出，纳米纤维素膜的透明度较高，可以清楚的看到背景图案和文字。这 与 膜的透明度与进入膜内部(b) 的光线发生的光吸收、光反射和光折射有关 18。本实验制备的油茶果壳纳米纤维素的直径小于可见光波长 的十分之一，当可见光通过纤维素膜时，必然会其引起光的散

29、射和折射减少，光透射更多，从而具有良好的透明度 19,20。 3 结论 本 文 采用亚硫酸 盐 蒸煮预处理和 硫 酸 热 水解相结合的方式从油茶果壳中提取出长径比大于 50 的纳米纤维素，再通过压滤的方式制得纳米纤维素透明薄膜 ，并比较了同等厚度 下的 纳米纤维素膜、 PVA 和 PLA 膜 的光学性能和力学性能 。实验结果表明，油茶果壳纳米纤维素的 结晶度和热分解温度分别为 68 %和 230 ；厚度为 0.03 mm 油茶果壳纳米纤维素 ，其拉伸强度和杨氏模量 为 75.6 和 5200 MPa，在 600800 nm 波段处，透光率为 76 %81 %，具有良好力学性能和光学性能 ，可应

30、用于制备食品薄膜包装材料 ，从而为我国发展绿色、循环、低碳新型材料提供指导与参考 。 参考文献： 1 Panwar N L, Kaushik S C, Kothari S. Role of renewable energy sources in environmental protection:a review J . RENEW SUST ENERG REV, 2011, 15（ 3） :1513-1524. 2 Jrgensen H, Kristensen J B, Felby C. Enzymatic conversion of lignocellulose into fermentab

31、le sugars: challenges and opportunities J . BIOFUEL BIOPROD BIO, 2007, 1（ 2） :119-134. 3 Wang Lin Lin( 王琳琳 ), Long LiuJin( 龙柳锦 ), Chen XiaoPeng( 陈小鹏 ), et al. Characterization of mesoporous activated carbon from camellia oleifera shell and study on its porous structure J . J Chem Ind Eng（化工学报） , 201

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