納米技術纖維素納米晶的表征方法Nanotechnologies—Characterizationofcellulosenanocrystals2023-11-27發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標準化管理委員會I 12規(guī)范性引用文件 l3術語和定義 14符號和縮略語 25纖維素納米晶的制備 36組成 56.1化學組成 56.2表面官能團 56.2.1硫酸半酯的測定 56.2.2羧酸含量的測定 86.3聚合度 96.4結晶度 6.4.1概述 6.4.2X射線衍射 6.4.3核磁共振 6.4.4振動光譜 6.4.5纖維素納米晶結晶度的測量 6.5水分含量 6.6.1概述 6.6.2源自纖維素生物質的殘留雜質 6.6.3金屬離子 6.6.4X射線光電子能譜法檢測雜質 7纖維素納米晶形貌 7.1顯微鏡得到的長度和寬度分布 7.1.1概述 7.1.2電子顯微鏡 7.1.3原子力顯微鏡 7.1.4圖像分析 7.1.5纖維素納米晶的顯微尺寸分布 7.2動態(tài)光散射測量粒度 Ⅱ8纖維素納米晶表面特性 8.1比表面積 8.2表面電荷 9其他特性的表征 9.1熱穩(wěn)定性 9.2黏度 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件等同采用ISO/TR19716:2016《納米技術纖維素納米晶的表征方法》,文件類型由ISO的技術報告調整為我國的國家標準。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國科學院提出。本文件由全國納米技術標準化技術委員會(SAC/TC279)歸口。纖維素納米材料，包括纖維素納米晶和纖維素納米纖絲。纖維素納米晶是通過強酸水解、化學或酶氧化等方法從樹木等植物的纖維素中提取的[1-3]。纖維素納米晶作為一種新型的可持續(xù)聚合物納米材料，主要是從木漿等可持續(xù)的資源中制得，且其大量生產以及相關加工設備得到不斷完善，增加了纖維素納米晶的商業(yè)化開發(fā)可行性。纖維素納米晶和纖維素納米纖絲在一些國家是以中試、預商業(yè)化或商業(yè)化規(guī)模生產的。根據(jù)預計的應用領域和市場滲透率，纖維素納米材料的全球產量每年達3500萬噸[4,5]。為了對纖維素納米晶進行認證以實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)和應用，需要制定纖維素納米晶的表征方法纖維素納米晶是一種具有較高長徑比、高比表面積和機械強度，并自組裝成具有獨特光學性質手性向列相的棒狀納米材料。它們的長度小于纖維素納米纖絲，但具有更高的結晶度。由于具備上述性質，以及能通過調控纖維素納米晶表面電荷和化學性質使其分散于各種基質之中，纖維素納米晶在許多劑和生物醫(yī)學產品等。本文件描述了與纖維素納米晶表征相關的樣品制備、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析/解釋對纖維素納米晶商業(yè)化產品的開發(fā)具有重要作用。本文件描述了用于表征特定性質的各種方法，但沒有推薦標準方法或提供這些技術的詳細信息。本文件范圍僅限于生產的纖維素納米晶，不包括生產后改性的纖維素納米晶或纖維素納米晶增強材料或產品。1納米技術纖維素納米晶的表征方法本文件描述了常用的纖維素納米晶的表征方法，包括樣品制備、測量方法和數(shù)據(jù)分析，涵蓋了用于2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。弱束縛顆粒的堆積體、聚集體或二者的混合體，其外表面積與其單個顆粒的表面積的總和相近。注1:支撐團聚體的作用力都是弱力，如范德華力或簡單的物理纏結。注2:團聚體也被稱為次級顆粒，而源顆粒則被稱為初級顆粒。強束縛或融合在一起的顆粒構成的新顆粒，其外表面積可能顯著小于其單個顆粒表面積的總和。注1:支撐聚集體的力都是強作用力，如共價鍵或源于燒結或復雜的物理纏結。注2:聚集體也被稱為次級顆粒，而源顆粒則被稱為初級顆粒。具有晶體結構的納米物體。兩個維度外部尺寸相近且處于納米尺度，剩余一個維度外部尺寸明顯大于其他兩個維度尺寸的納注1:最長的外部尺寸不一定在納米尺度。注2:也能使用納米纖絲和納米絲這兩個術語。一維、二維或三維外部尺寸處于納米尺度的物體。注：用于所有分立的納米尺度物體的通用術語。2實心納米纖維。處于1nm至100nm之間的尺寸范圍。注1:本尺寸范圍通常、但非專有地表現(xiàn)出不能由較大尺寸外推得到的特性。對于這些特性來說，尺度上、下限值是近似的。注2:本定義中引入下限(約1nm)為了避免將單個原子或原子團簇認為是納米物體或納米結構單元。4符號和縮略語下列符號和縮略語適用于本文件。AEC:陰離子交換色譜法(anion-exchangechromatography);AFM:原子力顯微鏡(atomicforcemicroscopy);BET:BET比表面積測定方法(Brunauer-Emmett-Tellermethodfordeterminationofspecificsur-facearea);Crl:結晶度指數(shù)(也稱CI)[crystallinityindex(alsoCI)];CNC(s):纖維素納米晶[cellulosenanocrystal(s)];CP-MAS:交叉極化-魔角旋轉(crosspolarizationmagicanglespinning);d?:流體力學直徑(hydrodynamicdiameter);DP:聚合度(degreeofpolymerization);D:平動擴散系數(shù)(translationaldiffusioncoefficient);DSC:差示掃描量熱法(differentialscanningcalorimetry);DLS:動態(tài)光散射(dynamiclightscattering);EM:電子顯微鏡(electronmicroscopy);FE-SEM:場發(fā)射掃描電子顯微鏡(fieldemission-scanningelectronmicroscopy);FTIR:傅里葉變換紅外光譜(Fouriertransforminfraredspectroscopy);GLC:氣-液色譜法(gas-liquidchromatography);ICP-OES:電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductivelycoupledplasma-opticalemissionspectroscopy);ID:同位素稀釋(isotopedilution);IR:紅外(infrared);PI:多分散性(polydispersity);ssNMR:固體核磁共振(solidstatenuclearmagneticresonance);SEM:掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy);TEM:透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscopy);TEMPO:2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxyfreeradical);TGA:熱重分析法(thermogravimetricanalysis);U::電泳遷移率(electrophoreticmobility);XPS:X射線光電子能譜(X-rayphotoelectronspectroscopy);XRD:X射線衍射(X-raydiffraction);e:介電常數(shù)(dielectricconstant);3k:波爾茲曼常量(Boltzmannconstant);5纖維素納米晶的制備纖維素是一種線性多糖，由相鄰葡萄糖環(huán)的C?和C?碳原子之間的氧原子連接而成的脫水葡萄糖單元組成。在纖維素的生物合成過程中，通過氫鍵連接在一起的堆疊的葡萄糖大分子鏈，在酶復合物作用下，組裝成基元纖絲。聚合物鏈的數(shù)量和結構是生物體特有的。這些基元纖絲進一步組裝成尺寸更大的纖維素和其他組分的微纖絲結構，具體結構也取決于纖維素的來源。纖維素納米晶由一根或多根基元纖絲構成，包含有結晶區(qū)和無定形區(qū)。纖維素納米晶的長度和寬度尺寸與其制備原料密切相關，纖維素納米晶的長徑比通常為5～50,無分支或網(wǎng)狀結構。術語纖維素納米晶與納米晶纖維素和纖維素納米晶須同義。纖維素納米纖維或納米纖絲化纖維素通常比纖維素納素成分。纖維素納米纖維的寬度通常為5nm～50nm,長徑比大于50。纖維素納米材料術語見參考文纖維素納米晶可從多種富含纖維素的原材料制備，其制備原料以木材和其他植物為主，也包括藻和/或化學預處理去除非纖維素成分，降低顆粒尺寸并增加暴露表面積。隨后，對樣品進行強酸水解或氧化處理，去除更容易反應的無定形區(qū)，并將纖維素納米晶從纖維素纖絲中分離出來(見圖1)。盡管有時也會用到鹽酸、磷酸等，但硫酸水解法是實驗室研究和中試商業(yè)設施中最為廣泛使用的纖維素納米晶促氧化和過硫酸銨氧化[1618]。在酸水解或氧化處理后，通過離心/過濾和洗滌等步驟純化纖維素納米晶。酸水解制備纖維素納米晶的典型步驟如圖2所示。H-QHpHOHH-CHOHoHHOHH標引序號說明：1——纖維素；2——纖維素纖絲；3——纖維素納米晶；4——微纖絲；5——無序的；6——結晶的；7——基元纖絲；8——水解或氧化。圖1從纖維素纖絲制備纖維素納米晶的示意圖4必要時重復必要時重復生物質預處理：——生物質均質化：化學性質和顆粒尺寸；——反應更穩(wěn)定；——具體生物質類型：樹木、植物、細菌、藻類等酸水解：——水解纖維素無定形區(qū)；——調控：酸的濃度、酸/漿比、溫度、時間——去除大顆粒；——離心、重力沉降等超濾：——去除酸、糖等；——膜、透析等纖維素納米晶：——成分(結晶度，聚合度和表面化學);——顆粒形態(tài)(長度、寬度);——純度(木質素、金屬離子、污染物、添加劑等);——表面性質(Zeta電位、表面積等)圖2酸水解法制備纖維素納米晶的典型工藝概述硫酸水解法制備的纖維素納米晶的表面有帶負電荷的硫酸半酯，從而形成穩(wěn)定的水相膠體懸浮液。TEMPO(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧自由基)催化氧化方法可將使用硫酸或鹽酸制備的纖維素納米晶尺寸與所用的纖維素原料相關，木漿制備的纖維素納米晶平均長度為100nm～200nm,寬度為4nm~9nm,而細菌和被囊動物制備的纖維素納米晶的尺寸更大，長度為1μm～2μm,寬度可達50nm2]。由酸水解制備的纖維素納米晶懸浮液可直接使用。但在大多數(shù)情況下，通過用氫氧化物(XOH)或碳酸鹽(X?CO?)等堿溶液中和纖維素納米晶懸浮液，體系中的其他陽離子可取代質子，得到纖維素納米晶鹽(X-CNC,其中X是與陰離子基團相關的反離子),例如，用氫氧化鈉(NaOH)或碳酸鈉(Na?CO?)中和H-CNCs,是pH中性的Na-CNC鹽最典型的商業(yè)化生產方式。通過氫氧化物堿溶液中和酸性基團，可置換樣品中的質子反離子[29],這一過程也可通過利用離子交換樹脂處理樣品來實現(xiàn)[30]。因干燥后的產品可在水中分散等優(yōu)點[28],可將纖維素納米晶水懸浮液進行噴霧干燥或冷凍干燥，轉變?yōu)楣腆w以利于儲存和運輸。納米晶樣品。有些表征方法需要干燥的樣品，而有些表征方法則需使用纖維素納米晶懸浮液。使用纖維素納米晶的水懸浮液時，可用去離子水、稀釋的緩沖液或鹽(NaCl)溶液將樣品稀釋到所需濃度。干5燥的樣品可在水中重新分散，關于粉末在液體中分散的通用指南見ISO14887[31]。盡管超聲處理步驟通常用于分散聚集體和團聚體，但缺乏可重復性，可能導致結果的變化[32]。提高纖維素納米晶粉末樣品溶液的再分散性和可重復加工性，并非易事。具有完全質子化硫酸半酯的纖維素納米晶薄膜在干燥后不能重新分散，而含有一價陽離子(如鈉)的纖維素納米晶經(jīng)超聲處理后則可重新分散，得到與干燥前相似的、穩(wěn)定的膠體懸浮液[29]。通過蒸發(fā)、凍干或噴霧干燥制備的中性纖維素納米晶鈉鹽的再分散詳細步驟可參見參考文獻[28]。干燥纖維素納米晶的反離子和水分含量以及超聲條件(功率、纖維素納米晶濃度)均會影響纖維素納米晶(再)分散性。纖維素納米晶的鈉鹽在完全干燥時可完全分散，而質子化纖維素納米晶只有在水分質量分數(shù)在4%的閾值以上時才可完全分散。本文件使用硫酸水解方法制備并在纖維素表面有硫酸半酯基團修飾(纖維素硫酸酯)的纖維素納米方法也適用于其他類型的纖維素納米晶或纖維素納米纖絲，例如，表面官能團的檢測與量化是針對特定的纖維素納米晶制備方法的。纖維素反離子的性質對某些測量很重要，特別是通過電導滴定法(見6.2.1和6.2.2)和Zeta電位(見8.2)確定由硫酸半酯或羧酸鹽基團產生的表面電荷。除非另有說明，纖維素納米晶樣品中特定反離子并不影響本文件中討論的表征方法。纖維素納米晶具有的特定物理化學性質，與含有的纖維素顆粒及制造過程進行的表面化學有關。在商業(yè)化的時候，有必要闡明在這個領域中使用的幾點描述：納米技術中纖維素納米晶的幾何形態(tài)、工業(yè)生產方法中所用的纖維素納米晶化學形式。具體內容[33]如下：a)化學性質描述(纖維素，硫酸氫鹽與總硫含量質量分數(shù)大于或等于0.5%、小于或等于1.0%的鈉鹽);b)生產方法描述(通過硫酸水解漂白紙漿制得);c)長度(標稱長度為100nm±50nm)和寬度(寬度尺寸小于或等于10nm)的幾何描述，在設定6.1化學組成作為一種纖維素，纖維素納米晶的化學性質可通過微晶纖維素的定性鑒定測試方法進行評估，如將干燥的纖維素納米晶分散在碘代氯化鋅中會產生紫藍色的顏色35]。根據(jù)分子式[(C;H?O?)。],并在表面官能團取代度已知的情況下，也可通過元素分析來確認它們的化學組成。盡管元素分析提供了一些關于表面官能團的信息(例如硫酸半酯中硫的百分含量),但通常使用更詳細的測試來量化表面官能團(見6.2)。使用6.4.1中概述的測定硫方法，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)可確定具有陰離子表面基團纖維素納米晶的無機金屬反離子含量。通常，纖維素納米晶的密度與其他類型纖維素相同[2],測得的含硫和脫硫纖維素納米晶的密度分別為1.56g/cm3和1.63g/cm3[36]。通過硫酸水解方法制備的纖維素納米晶，其表面有硫酸半酯基團。這些負電荷基團的濃度決定了纖維素納米晶表面的電荷密度，并控制了纖維素納米晶在水懸浮液中的膠體穩(wěn)定性，以及自組裝行為和流變性能。測定硫酸半酯含量有兩種方法。第一種方法是通過元素分析方法測量總硫含量[26.2]。純化樣品以確保去除所有殘留的未結合硫酸根離子后，測得的總硫含量可直接轉換為纖維素納米晶硫酸半酯含量[3];第二種方法是利用堿溶液對纖維素納米晶表面的酸性硫酸半酯基團進行電導滴定，并比6較各種纖維素納米晶的測定結果。通過元素分析或電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)測量總硫含量，使用的光譜儀配有同心霧化器、旋流霧室和帶有石英中心管的石英炬管，并根據(jù)制造商的規(guī)程進行優(yōu)化。在高壓密閉容器中，使用高純度硝酸和鹽酸進行微波輔助樣品消解，或者用強酸(如硝酸和高氯酸)濕法灰化樣品，使樣品完全溶解[38]。消解后，使用批量趕酸系統(tǒng)蒸發(fā)多余的酸。利用硫在180.669nm和181.972nm的發(fā)射線，通過ICP-OES進行分析。使用標準加入法測試(以補償任何殘留的基質干擾),其中硫酸鹽中硫的增量加標由硫標準物質溶液(如硫國家標準物質/樣品)制備。稀釋樣品以確保響應在線性范圍。樣品中加入重量上至少兩個增量水平的適當量的已知校準標準，每次加標后樣品中總硫濃度宜增加一到兩倍，且分析響應是線性的。硫濃度的計算需要三點(最小)加標校準。由于樣品和空白加標校準函數(shù)的斜率可能不相等，宜分別對C,和Cm進行校準。注意，除硫濃度很低外，雖然通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS,見6.6.3)也可獲得總硫含量，但ICP-OES是更直接的方法。使用堿溶液(如氫氧化鈉)對纖維素納米晶表面的酸性硫酸半酯基團進行電導滴定，是測定硫酸半樹脂處理，以確保硫酸半酯完全質子化。纖維素納米晶樣品通常用去離子水稀釋或重新分散(通常質量分數(shù)小于或等于1.5%),然后用純水透析，直到膜周圍水的pH和電導率接近純水且不再變化。也可使用中空纖維膜透析系統(tǒng)，大幅增加交換表面積，并通過樣品和透析液的對流保持大濃度梯度，從而減少透析時間。在纖維素納米晶質子化之前，氫型強酸性陽離子交換樹脂宜用大量純水沖洗，直到濾液無色、pH和電導率與洗滌水相同。在纖維素納米晶濃度足夠低時，宜向透析后的纖維素納米晶懸浮液中新鮮樹脂進行多次連續(xù)處理，特別是在纖維素納米晶以中性鹽的形式存在時，以實現(xiàn)完全質子化。另外，將稀釋后的懸浮液通過填充有這種樹脂的柱子，會加快處理速度[3]。這樣處理確保了不含殘余溶解離子的純纖維素納米晶懸浮液完全質子化，產生的硫酸半酯與質子的比例為1:1,確保了滴定結果的準確性。最后，用重量法測定質子化纖維素納米晶樣品的濃度。將已知體積的樣品稱量后與稀鹽化鈉樣品達到平衡后，測量樣品的電導率。由滴定曲線不同區(qū)域數(shù)據(jù)點所擬合的回歸線交點來確定等價點(見圖3)。加入NaOH的體積/mLa)含有強酸性硫酸半酯基和少量弱酸性羧酸基的H-CNCs圖3電導滴定曲線示意圖7b)使用兩種不同濃度的氧化劑生成的TEMPO-催化氧化的纖維素納米晶解釋電導滴定數(shù)據(jù)時，不要將實際檢測到的質子(通過氫氧化鈉中和)與根據(jù)滴定結果計算的硫酸半酯含量相混淆?；跇悠分匈|子與硫酸半酯基團的比例是1:1的假設，進行滴定法的計算。滴定法不需要專門且昂貴的設備，易用于纖維素納米晶生產過程中的質量控制。通過滴定和元素分析測量的木質纖維素納米晶和其他類型纖維素納米晶的硫酸半酯和硫含量典型由于滴定分析的纖維素納米晶樣品準備不足，特別是不能確保纖維素納米晶在透析純化后完全質子化，滴定值通常低于元素分析的測定值[40]。對于纖維素納米晶鈉鹽，不可通過電導滴定法測量其硫酸半酯含量，但可通過元素分析，如ICP-OES測量?；旌洗搽x子交換樹脂(含有氫氧化物形式的陰離子交換樹脂)處理纖維素納米晶樣品也能去除單質硫，因此，宜避免使用混合床離子交換，只使用透析法進行纖維素納米晶懸浮液純化[37]。存在含硫污染物時，如硫酸根離子，將產生錯誤的元素分析結果(若它們是質子化的，也會得到高的電導滴定值),故透析對纖維素納米晶懸浮液純化很重要。由于在纖維素原料的生物合成過程中，存在無法被滴定劑[39]接觸到的硫酸半酯基團或其他形式的硫，可能會造成用滴定法和元素分析法分別測量的硫酸半酯/硫含量之間的差異[45]。由于這些差異，若使用元素分析來估算硫酸半酯的纖維素納米晶表面電荷，宜同時對纖維素納米晶纖維素原料進行元素分析，以獲得硫的估計值。重要的是要理解總硫(通過元素分析方法，如ICP測量)、可滴定硫(可被滴定劑接觸的質子化硫酸半酯基)、對表面電荷有貢獻的硫酸半酯含量(所有表面硫酸半酯基)和總硫酸半酯含量(可被滴定劑接觸和不可被滴定的硫酸半酯基團)不一定是完全一樣的數(shù)值。針葉樹材牛皮紙漿纖維素納米晶總硫和可滴定硫是相等的，這表明其所有的硫酸半酯都在表面[37。將纖維素原料和纖維素納米晶的元素分析與質子化纖維素納米晶的電導率滴定相結合，可得到最全面的信息。通過鹽酸水解從同一來源提取的纖維素納米晶元素分析也可能有助于確定纖維素納米晶的“本征硫含量”。若纖維通過硫酸水解提取，然后經(jīng)過TEMPO催化氧化制備的表面羧酸纖維素納米晶樣品中硫酸半酯含量的評估也較為復雜。若存在大量弱酸性的羧酸，則難以用電導滴定法測量硫酸半酯(強酸)含量，但對于含有少量弱羧酸基團的未氧化纖維素納米晶樣品，在存在少量羧酸基團情況下，可測定硫酸半酯，如最后，通過X射線光電子能譜(XPS)原子百分比數(shù)值一般在0.3%~0.6%。將纖維素納米晶表面含硫量的元素分析結果與電導滴定結果進行比較，其含硫量與表1中數(shù)據(jù)8XPS和電導滴定方法都表明，脫硫后的纖維素納米晶比硫酸水解得到的初始纖維素納米的變化。雖然沒有報告薄膜的厚度，但當用XPS測量單個單層纖維素納米晶薄膜時，原則上兩種方法會得到相同的硫含量，因為約10nm的穿透深度大于顆粒寬度(關于纖維素納米晶的XPS測量的更多表1各種纖維素納米晶樣品中硫酸半酯和硫含量單位為毫摩爾每千克纖維素原料滴定法(標準偏差)元素分析(標準偏差)預處理參考文獻棉花205(10)220(20)?透析，混合床離子交換樹脂針葉樹材(漂白硫酸鹽紙漿)透析細菌(高纖維椰果)纖維素5透析闊葉樹材(桉樹)—透析，混合床離子交換樹脂針葉樹材(漂白亞硫酸鹽紙漿)290(35)—透析，混合床離子交換樹脂針葉樹材(可溶性亞硫酸鹽紙漿)0.57個原子%透析棉花221(6)透析，強酸陽離子交換樹脂棉花透析，混合床離子交換樹脂針葉樹材(漂白硫酸鹽紙漿)225(15)225(15)'透析，強酸陽離子交換樹脂’列出的標準差見參考文獻?！蔽粗付ㄔ胤治黾夹g。通過X射線熒光進行元素分析。通過XPS進行元素分析(基于C、O和S含量)。通過硫燃燒為二氧化硫的定量轉換進行定量分析，使用紅外或熱電導率儀檢測燃燒氣體中的硫。通過ICP-OES進行元素分析(總硫)。用氫氧化鈉通過電導滴定法測定氧化的纖維素納米晶的羧酸鹽含量方法與6.2.1中所述相似。滴3個線性部分(強酸、弱酸、過量滴定劑)確定羧酸鹽的含量，從而得到兩個等價點(強酸和總酸)。從總酸含量中減去強酸含量，得到弱酸(羧酸)含量(見圖3b)]。如6.4.1所述，在已被高度氧化(如通過TEMPO催化氧化)的硫酸水解纖維素納米晶中，硫酸半酯基團(強酸)的存在阻礙了用電導滴定法測定9利用電導滴定法測定表面羧酸含量可得到樣品的氧化程度，定義為纖維素納米晶樣品中羧基的質量分數(shù)51。在一些情況下，樣品的氧化程度由TEMPO催化氧化體系中氧化劑和纖維素的比率決定；假設纖維素表面可反應的全部羥基都轉換為羧酸，可獲得一個平臺值。多數(shù)情況下，樣品的氧化程度為大大高于硫酸半酯的典型值200mmol/kg(見表1)。表面羥基完全氧化的不同表面積/質量比的纖維素納米晶顆粒將給出不同的氧化程度。若基于單晶晶胞參數(shù)估算纖維素鏈及表面(羥基)分數(shù)，則預測得到的氧化程度與實驗測得的值通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR),使用1634cm-1處羧酸的羰基伸縮振動產生的強吸收帶，也可算氧化程度。因為在這個區(qū)域存在吸附水的干擾[5I],宜避免使用1608cm-1處的羧酸鹽陰離子的羰基伸縮振動。盡管電導滴定法更可靠和可重復[s1],但在一些情況下，F(xiàn)TIR方法與電導滴定法的測定結果聚合度(DP)是單個纖維素聚合物鏈中葡萄糖單元的數(shù)量，是衡量纖維素納米晶生產過程中纖維素的降解程度的指標。纖維素的酸水解通常會使DP迅速下降到一個極限值或平衡值[27,53],這表明在去除纖維素無定形區(qū)之前，沿纖維長軸排列的單個晶體的大小與極限DP有關[8.53]。用DP作為水解或氧的極限值取決于纖維素的原料，從木漿中提取的纖維素納米晶的DP極限值為90～200,從藻類中分離得到的較大纖維素納米晶的DP最高值達有兩種方法可測量各種纖維素材料包括纖維素納米晶的DP。第一種比較簡單的方法依據(jù)測量溶解在銅乙二胺溶液中的纖維素的極限(特性)黏度，參照紙漿、纖維素和紙張及紙板黏度測量的標準方法[5961]。不同標準方法在計算極限黏度的表達式上略有不同，極限黏度與平均DP可通過表達式聯(lián)系起來。通過以DP為目標參數(shù)，對化學漿料提取纖維素納米晶的水解條件進行優(yōu)化，結果表明兩種計算第二種測量纖維素納米材料DP的方法是尺寸排阻色譜法(SEC),使用標準樣品進行校準或通過多角度光散射直接測定分子尺寸。SEC方法的優(yōu)點是提供DP分布，而不是平均DP(見圖4)。這種方法要求纖維素在色譜分析前完全溶解，通過在含金屬的溶劑中的溶解來實現(xiàn)，如含氯化鋰的N,N-二甲基乙酰胺，這種溶劑破壞了阻止在普通溶劑中溶解的氫鍵網(wǎng)絡，或通過化學改性獲得可溶于溶劑的纖維基甲酸酯是首選方法[55]。通過SEC計算DP分布，需要將羥基完全轉化為碳酸鹽。對于含有木質素或半纖維素的紙漿，溶劑的選擇對轉化有顯著影響。盡管SEC在確定DP分布方面有優(yōu)勢，但與更簡單相對濃度相對濃度圖4用于確定含硫(B)、脫硫(C)和聚合物改性(A)纖維素納米晶的聚合度的尺寸排阻色譜圖多個獨立纖維素鏈的組裝形成基元纖絲，基元纖絲聚集成更大的單元，從而形成高度有序的結晶區(qū)和無序的無定形區(qū)。纖維素納米晶結晶度是一個重要的評估參數(shù)，因為它影響到纖維素和其所包含纖維素的復合材料的物理、化學和機械性能。纖維素有幾種結晶形式，其中纖維素I是由各種生物體自然產生的形式。纖維素I是兩種多晶(同質異晶體)的混合物，其相對數(shù)量因纖維素來源而異，纖維素I。具有三斜結構，在藻類和細菌中占多數(shù)，單斜纖維素I:是高等植物和被囊動物中最豐富的多晶類型。利用X射線衍射(XRD),以及固體13C核磁共振(NMR)、紅外(IR)和拉曼光譜，已經(jīng)對包括纖維素納米晶在內的多種纖維素材料中的結晶纖維素成分進行了廣泛研究[6368]。各種方法提供了關于兩種晶型的比例、結晶度(定義為樣品中由晶體組成的質量分數(shù))的信息，XRD表征還提供了單個晶體的尺寸。峰高或峰面積，常使用各種不同的去卷積和數(shù)據(jù)分析方法，對需要校正背景信號中的重疊峰進行處理。在某些方法(如XRD)中，結晶度取決于所使用的儀器。下文討論了通過XRD、NMR和振動光譜測定結晶度百分比的方法，然后對纖維素納米晶的結果進行了比較。需注意的是，該領域開發(fā)的大部分方法都集中在木漿或較大的纖維素纖絲上，而不是纖維素納米晶。盡管文獻多用有序/無序程度等術語描述纖維素，本文件主要使用無序及結晶(結晶度%)術語。纖維素納米材料具有晶體和無序成分的特征衍射圖案(見圖5a)、圖5b]和圖5c)],可通過每個組分在20世紀50年代開發(fā)的峰高法。此方法(見圖5a)]基于在22.6°和18°處的20衍射角，分別代表結晶和無序纖維素信號的峰值高度，在修正了背景強度后，根據(jù)結晶(I2oo)和無序(無定形，Im)峰的高度來計算結晶度指數(shù)[Crl(或CI)],定義為由結晶纖維素組成的樣品質量分數(shù)，見公式(1)。Crl=(I2oo-Im)/(Izaa)×100……………(1)強度強度此方法沒有充分考慮到非晶態(tài)寬峰的實際位置，只使用了幾個結晶峰中一個峰的數(shù)據(jù)。此外，結晶和無序纖維素引起的峰的寬度不同。通常認為此經(jīng)驗性峰高方法高估了結晶度的百分比[6]。第二種方法是采用去卷積程序來分離衍射譜中的無序和結晶成分[見圖5b]]。此曲線擬合程序需要有關結晶峰的形狀和數(shù)量信息，并假設峰的展寬是由無定形纖維素含量引起的，而忽略了任何可能來自晶體尺寸的貢獻。在對衍射譜進行去卷積后，結晶度計算為所有結晶峰面積與總面積的比值。第三種方法(見圖5c)][64,7]通過從衍射譜中減去無序物質的貢獻來確定結晶度。無序物質的貢獻是通過單獨測量一個完全無序的樣品確定的。a)峰高法b)峰積分法c)減去無序物質的方法圖5纖維素的X射線衍射譜圖計算結晶度指數(shù)的3種方法使用謝樂(Scherer)公式從XRD測量數(shù)據(jù)中估算晶體尺寸[72],該公式依賴于對結晶峰半高寬的測量，并假定峰寬是由晶體的有限尺寸決定的[2]。儀器展寬和晶格缺陷也可能導致線的展寬，估計的展固體13C交叉極化魔角旋轉(CP-MAS)核磁共振也被用來估算纖維素納米材料(包括纖維素納米纖維素的碳信號出現(xiàn)在55×10-6～120×10-6之間(見圖6a)],具有寬且分離良好的峰，指認為C、C?和C?。由于約85×10-6～92×10-6晶體碳和約80ppm～85ppm無序碳的共振，C,具有明顯的共振。由于纖維素的結晶性和無序性，C。也表現(xiàn)為單峰。最常利用化學位移的這種差異及C,結晶峰與無序峰的總積分強度來計算結晶度[64.65]。例如，在圖6a)所示的波譜中，通過硫酸水解制備的木漿纖維素納米晶，根據(jù)C?和C。的無定形和結晶信號的強度，測得結晶度為64%。對各種類型纖維素進行核磁共振研究，采用各種峰值擬合和去卷積方法詳細地分析波譜。例如，在某些情況下，晶體C?的信號可分成由I。和Ig晶型以及準晶纖維素組分[見圖6b)中去卷積后C?區(qū)域的波譜]。準結晶纖維素的有序度低于結晶成分，但比無序纖維素的有序度高，通常指認為纖維素纖維表面以下的纖維素鏈或內部的扭曲。C?和C。對定量I。和I。晶型的比例也很有用，因為它們對于I。纖維素，是一個單一的共振，而對于I?,是一個雙重共振。使用峰值擬合和去卷積方法，將無序纖維素的C,共振分解為可接觸和不可接觸的碳(見圖6b)],以評估其表面積，如7.1所述。這些方法的詳細描述見參考文獻[65][77]。另一種從固體C的CP-MASNMR數(shù)據(jù)中估算纖維素結晶度的方法，依據(jù)質子在旋轉坐標系下的弛豫時間常數(shù)[Tg(H)]的差異來解析有序和無序纖維素導致的峰值。無定形纖維素引起的共振比結晶成分引起的共振衰減得更快，記錄兩個或更多的Ti。(H)共振譜可用來確定結晶纖維素的對一種商業(yè)纖維素的XRD和NMR方法進行比較，并使用6.4.2和本條中描述的方法對8種商業(yè)纖維素的結晶度進行估算[64],結果表明，XRD峰高方法給出的數(shù)值明顯高于其他方法，只能提供無序含量的粗略近似值，其他方法提供的結晶度值范圍較窄，尚無法確定哪種方法對結晶度的評估最準確。NMR包括無序部分的表面基團，因此結晶度將低于XRD測量的結晶度，XRD可估計結晶纖維素的總體積分數(shù)[9。X圖6固體13C交叉極化魔角旋轉核磁共振波譜2——1g;3——AFS;4——IAFS;圖6固體3C交叉極化魔角旋轉核磁共振波譜(續(xù))振動光譜法可定性和定量評估纖維素材料的結晶度，該方法使用成本較低的設備(與XRD或NMR相比)進行常規(guī)測量，并更快給出結果。早期研究采用紅外光譜來提供結晶度的定性預測；隨后開發(fā)的FTIR光譜儀實現(xiàn)了定量測量。基于測量無序和結晶含量的峰值比率，或測量對結晶含量敏感的峰值相對于不隨結晶度變化的參考峰的強度，已開發(fā)了多種紅外檢測方法[8185]?；贑H?彎曲模式的1429cm-1和異構CH變形振動導致的893cm-'峰的強度比，分別衡量結晶和無定形含量，可確定初始結晶度指數(shù)，也稱為側向有序指數(shù)86]。基于1372cm-1和2900cm-1處分別由CH彎曲振動模式以及CH和CH?拉伸振動模式引起的信號強度比可得到(總)結晶度指數(shù)。CH彎曲振動模式的強度隨著結晶含量的增加而增加，而CH拉伸振動則不受結晶度變化的影響[83]。類似的可使用隨結晶度變化的1280cm-1的CH彎曲振動帶和1200cm-1的OH彎曲振動帶[85]。通過使用已知結晶度的測試樣品，或將測得的結晶度與X射線衍射測得的值比較，來進行紅外方法驗證或校準。基于3336cm-1和1336cm-1處分別由分子內氫鍵和OH伸縮振動引起的峰強度比的經(jīng)驗關系可確定氫鍵強度[81,82],這種經(jīng)驗關系與晶相的有序度和分子間的規(guī)整程度有關。每種方法都在某種程度上只能給出樣品結晶度/無序性的不同方面，通常FTIR只提供關于結晶度的定性信息[63,64]。拉曼光譜法也用于測量纖維素I的結晶度。最初的方法是基于對1481cm-1(結晶)和1462cm-1(無序)的亞甲基彎曲振動模式的變化進行量化[6]。通過對結晶和無序纖維素的光譜進行詳細調研，比較單變量和多變量拉曼方法的結果，表明380cm-1和1096cm-'波段的強度比為檢測結晶度的變化提供了更靈敏的方法[66]。這種方法在不同的纖維素原料中得到了驗證，這些纖維素有熒光背景以及木質素和半纖維素的貢獻；拉曼光譜數(shù)據(jù)與采用非晶校正峰高法計算的XRD結晶度吻合良好[87]。使用380cm-1的拉曼振動，可估算纖維素納米晶和纖維素納米纖絲的結晶度[88]。除了結晶度的測量，振動在大多數(shù)情況下，使用XRD、NMR或振動光譜來測量結晶度時，需要樣品保持干燥狀態(tài)。有些樣品制備方法直接使用了干的材料。將懸浮液沉積到一個合適的支撐物上并干燥可制備薄膜樣品。有兩種XRD樣品制備方法，一種制備方法是將干的纖維素納米晶粉末壓在干凈的硅或玻璃槽中，或在100kPa～1GPa壓力下將粉末壓入槽中。另一種制備方法是將纖維素納米晶水相懸浮液沉積于硅槽后干燥。樣品制備方法可能引入晶體的取向，這將影響衍射峰的強度，從而影響結晶度指數(shù)(CrI)和晶粒尺寸[6]。宜使用反射模式測量和側載樣品來最小化這些影響[69]。將干燥的纖維素納米晶核磁共振樣品放置在氧化鋯MAS轉子中，旋轉速率的典型值為3kHz～10kHz。經(jīng)過濃縮以去除大部分水分的再水化樣品或未經(jīng)干燥的懸浮液也可用CP-MAS測量。將干燥纖維素納米晶壓入溴化鉀片中，或用懸浮液在衰減全反射晶體(ATR)上沉積一層薄膜來制備FTIR測試樣品。使用XRD和NMR測量纖維素納米晶的數(shù)據(jù)見表2。利用這兩種方法可進行纖維素納米晶的結晶度和形態(tài)表征，如用XRD測量了木漿纖維素納米晶結晶度與酸濃度和水解時間的關系[27]。峰高法給出的數(shù)值高于去卷積(峰面積)法，這與其他纖維素材料觀察到的趨勢相同[27]。對于結晶度較低的樣品，這兩種方法之間的差異約為兩倍(見表2的第一條)。去卷積法測量的結晶度在68.9%至89.1%之間變化，在45℃的64%酸溶液中獲得最高值(～90%)和最小的晶體尺寸(～6nm,寬度),最高的結晶度對應最小的聚合度。從稻草中提取的纖維素納米晶也有類似的趨勢，即水解時間越長，結晶度越高(最高可達90.7%)。從苧麻和棉花中提取的纖維素納米晶的結晶度測量值接近90%[。由棉花和木漿氧化產生的羧基化纖維素納米晶的結晶度為85%和83%,接近于用硫酸提取的纖維素納米晶的最高值[16,50],在其他情況下獲得的數(shù)值較低(見表2)。由于樣品制備或數(shù)據(jù)分析的影響可能會抵消結晶XRD數(shù)據(jù)表明，植物來源的纖維素納米晶可達到約90%的極限結晶度。相比之下，核磁共振研究菌纖維素納米晶和被囊類動物纖維素納米晶的結晶度都比較高[79,2]。核磁共振將包括表面糖作為非晶態(tài)貢獻的一部分，由于小顆粒比大顆粒表面原子所占比例更大，可預期纖維素納米晶的XRD和NMR的檢測結果差異會比大尺寸纖維素纖維的更大。高XRD方法[94],結晶度都在60%～90%,但峰高法得到的結晶度沒有明顯的升高趨勢。對于同一樣給出的值為64%(見圖6a)]。對于木質纖維素納米晶，NMR給出的數(shù)值略高于XRDI24]。最后，利用過硫酸銨氧化棉花制備的羧基纖維素納米晶(帶有H+或Na+反離子)的結晶度為85%,而通過FTIR測量的側向有序指數(shù)的數(shù)值較低，僅為63%[50]。表2從各種纖維素原料生產的纖維素納米晶的結晶度和晶粒尺寸纖維素原料生產方法方法(分析)結晶度/%晶體尺寸/nm參考文獻木漿硫酸?XRD(DC,PH)68.9,80.75.8～8.3XRD(DC,PH)89.1,84.6木漿硫酸XRD(DC)3.4,4.3,4.5°鹽酸XRD(DC)4.1,4.2,5.0表2從各種纖維素原料生產的纖維素納米晶的結晶度和晶粒尺寸(續(xù))纖維素原料生產方法方法(分析)°結晶度/%晶體尺寸/nm參考文獻木漿硫酸劍麻纖維硫酸苧麻硫酸棉花硫酸棉花硫酸—稻草硫酸細菌硫酸硫酸~60木漿硫酸木漿硫酸木漿硫酸 細菌纖維素硫酸被囊類動物硫酸 棉花過硫酸銨MCC,微晶纖維素·過硫酸銨分析方法：對于X射線衍射，DC=去卷積，PH=峰高(結晶度隨測量方法、儀器和分析程序變化的討論見6水解條件：25min,酸的質量分數(shù)為16%、45℃(第一行)和酸的質量分數(shù)為65%、45℃(第二行)。垂直于3個晶面的微晶尺寸。還研究了一些通過過硫酸銨氧化法從其他來源生產的纖維素納米晶。纖維素納米晶樣品的含水量可能是某些應用中一個重要的考慮因素。例如，一些分析測試需要在分析前將纖維素納米晶中的水分去除，殘留的水分含量會影響樣品的再分散性及其在儲存期間的穩(wěn)定常包括測量樣品在烘箱干燥(約105℃)前后的質量；在其他揮發(fā)性成分也可能導致?lián)p失的情況下，樣品宜在干燥器中進行干燥。纖維素納米晶可能含有其他的微量成分，這些成分存在于可分離出它們的纖維素生物質中，包括各種多糖，如半纖維素、在纖維素納米晶的制備過程中尚未完全去除的無定形纖維素，以及在木質纖維源纖維素納米晶中組成植物細胞壁重要部分的木質素等。在分離纖維素納米晶的過程中，有時會引入污染物(如酸水解或氧化產生而未能通過透析去除的殘留鹽類及殘留小分子，如脂肪酸或萜類)。殘留的金屬離子，或為初始纖維素生物質中的雜質，或是在分離纖維素納米晶過程中引入的。若可檢測到，通常都是少量的。由于即使是微量的雜質也會影響一些纖維素納米晶中提供了其典型的檢測程序。需要注意的是，可能需量化和/或去除用于促進纖維素納米晶分散的添加采用幾種標準方法量化紙漿、紙張和紙板樣品的碳水化合物含量及木質素含量。盡管這些方法在某些情況下，其檢出限與纖維素納米晶中痕量的特定成分不能匹配，但易適用于纖維素納米晶樣品[m]。對于殘留的多糖，可先水解纖維素樣品，然后利用氣-液色譜法(GLC)98或高效陰離子交換色譜法(AEC)[9]分離及定量各種單糖，測試時使用各種單糖的標準樣品對該方法進行校準。使用標準方法測定木質纖維素納米晶中木質素含量，適用的木質素含量范圍在0.3%～3%[1oo]。對于存在于初始纖維素材料中且在纖維素納米晶純化過程中未被去除的小分子，或在纖維素納米晶儲存和處理過程中生成前后的樣品重量變化，可進行重量測定。二氯甲烷用于去除極性較低的化合物，乙醇(或丙酮)用于去除纖維素納米晶中殘留的金屬離子會對健康和環(huán)境構成潛在的風險，并可能干擾其他測試或材料的某些應用/最終用途。通過微波輔助的混合酸消解法完全溶解樣品后，可用ICP-MS定量分析金屬雜質。測定鉻和鐵含量時，宜使用中等分辨率模式的扇形場質譜儀(分辨率約4000)或配備碰撞池或動態(tài)反應池的質譜儀，以消除樣品或等離子體中其他成分產生的潛在干擾。樣品的微波消解與標準加入法的校準參照6.2.1中描述的ICP-OES測定總硫含量的方法。雖然標準加入法常用于痕量元素的測定，但是顯著的信號漂移會降低最終結果的準確性。帶反同于標準物質的定值[102]。一旦在添加的加標和分析物之間實現(xiàn)同位素平衡，這種方法就可對樣品中的分析物進行精確定量，從而補償樣品操作過程中分析物的損失和樣品基質中存在元素對離子靈敏度的ICP-MS或ICP-OES也可用于定量分析纖維素納米晶樣品中殘留鹽類，如酸水解或氧化制備樣品時殘留的硫酸鈉。在透析前后檢測的Na-CNCs樣品中鈉和/或硫含量之間的差異可指示未純化樣品中游離鹽的含量(見參考文獻[38])。利用X射線光電子能譜(XPS)法相同[107],通過測量從一束X射線照射的表面逸出電子的動能和數(shù)量獲得XPS譜圖。雖然XPS是一種表面分析方法[108],但其穿透深度(通常小于或等于10nm)與單個纖維素納米晶的寬度尺寸相似。利用XPS估算各種元素基質中痕量元素檢出限的方法，為評估可檢出的雜質水平提供了實用指導[109]。C?——葡萄糖環(huán)中的C-O-C;C?——葡萄糖環(huán)中的O-C-O。圖7通過去卷積分離脂肪族碳(C?,雜質)、C-O-C(C?)和O-C-O(C?)峰后的硫酸水解制備的棉花纖維素納米晶的XPS譜利用碳1s和氧1s峰的低分辨率XPS測量純纖維素的碳氧原子比1.2的偏離情況。更詳細的分析可通過～285eV的高分辨率C?s能譜的去卷積來獲得，如圖7所示，由于鍵合方式不同，碳可分成4個成分峰：C?為脂肪族碳(C-C),C?為葡萄糖環(huán)中的C-O-C或C-OH,C?為葡萄糖環(huán)中的O-C-O,C?為聚合物鏈中的酯(O-C=O)。脂肪族sp3碳(C-C/C-H)的存在為非纖維素雜質提供了證據(jù)，因為纖維素有3個鍵合碳的存在表明存在帶有羧酸基團的殘余細胞壁多糖[47,105],通過乙醇萃取可去除多糖雜質[105]。如高分辨率能譜顯示存在脂肪族碳，但纖維素碳和氧之間的原子比為1.2,與純纖維素的值一致，則表明在儲存或運輸過程中存在意外污染，而不僅僅是殘留的多糖[93]。除了應用于檢測雜質及提供表面官能團(如羧酸鹽或硫酸半酯，見6.4)的定性信息外，通過檢測氮原子或C/O的比率變化，XPS還經(jīng)常用于分析表面改性的纖維素納米晶(見參考文獻[20][47][48][92][110])。XPS也被用于7纖維素納米晶形貌7.1顯微鏡得到的長度和寬度分布單個纖維素納米晶的形狀和尺寸可通過成像方法評估，如SEM、TEM和AFM。這些方法被用來分散良好的顆粒獲得的信息最為可靠。因此提供樣品制備的細節(jié)至關重要，包括從干燥樣品開始時的分散步驟。EM和AFM都經(jīng)常檢測到團聚/聚集的顆粒，這種團聚/聚集現(xiàn)象可能是由樣品制備方法造成的，不一定反映團聚物在初始樣品中的分布情況[112114。以下描述了EM和AFM的基本方法、樣品制備與圖像分析的注意事項，以及纖維素納米晶的代表性數(shù)據(jù)。7.1.2電子顯微鏡EM使用聚焦電子束來觀察樣品并測量其形態(tài)和/或組成。在SEM中，基于收集厚樣品表面的二次或背向散射電子形成圖像。在TEM中，收集透射過薄樣品的電子來形成圖像，這導致了3D顆粒的2D投影，可確定顆粒的長度和寬度，但不能確定它們的高度。電子顯微鏡通常在高真空下表征干燥樣品，含有重原子的樣品有更高的對比度。掃描電鏡的分辨率在幾個納米量級上，因此，它對測量單個纖維素納米晶的寬度的作用有限；在某些情況下，EM用于纖維素納米晶形態(tài)的定性檢測和在干燥纖維素納米晶中發(fā)現(xiàn)的大團聚體的特征分析[49.57.112114]。場發(fā)射掃描電子度分辨率的透射電鏡是獲得纖維素納米晶長度和寬度分布的首選方法。將纖維素納米晶懸浮液稀釋至質量與體積比約為0.01%制備用于TEM表征的樣品。取少量(5μL～10μL)懸浮液置于EM柵網(wǎng)上，靜置幾分鐘，然后吸除多余液體，用去離子水洗滌幾次。盡管使用帶正電的微柵有利于帶負電的纖維素納米晶的固定化，但最常使用碳涂層銅網(wǎng)。親水氧化硅涂層的柵網(wǎng)比方華模(聚乙烯醇縮甲醛)或碳膜涂層的柵網(wǎng)能更好地分散纖維素納米晶，而且pH為3.5時下，通過乙酸鈾負染色來提高對比度。在嚴格控制成像條件情況下，有可能獲得質量足夠好的TEM圖像，以定量表征未染色的纖維素納米晶的尺寸分布[112]。將EM網(wǎng)格浸泡在乙酸鈾水溶液(質量與體積比為0.5%～2%)中進行染色，然后用水清洗，或者在柵網(wǎng)中加入少量的染色溶液，等待1min~2min,染色樣品。樣品在清潔、無塵的環(huán)境下進行干燥，注意不要扭曲或破壞涂層。使用類似的柵網(wǎng)和使用配備CCD相機、工作電壓≤200kV的TEM[3,5]或工作電壓在2kV～15kV的FE-SEM對大多數(shù)纖維素納米晶進行高分辨率成像等EM表征。使用已知尺寸的標準樣品，如聚苯乙烯球、膠體金或校準光柵對電鏡進行校準。宜使用經(jīng)過認證的校準標準。使用具有周期性結構的標準物質校準TEM圖放大倍數(shù)的方法見ISO29301[17]。電鏡宜按照制造商的建議仔細對焦，以獲得準確的顆粒尺寸，并對高分辨率成像進行優(yōu)化。將樣品安裝在電鏡室后，測量樣品不同區(qū)域的幾個大視場圖，以檢查樣品質量。具有大量單個顆粒和少數(shù)團聚體的樣品是理想的，可能需要對樣品制備條件進行一些優(yōu)化(如更換柵網(wǎng)類型，適當稀釋、靜置和洗滌初始纖維素納米晶懸浮液等)。測量樣品的多個較小視場圖(通常小于或等于1μm×1μm),對顆粒尺寸進行統(tǒng)計分析。放大倍數(shù)和相機像素大小的組合宜是匹配的，以確保單個纖維素納米晶以足夠的像素進行成像，同時最大限度地增加每張圖的顆粒數(shù)量。圖記錄時間宜足夠長，以便提供足夠的背景信號，同時最大限度減少載物臺漂移和樣品損壞。記錄足夠數(shù)量的圖，至少包含約1000個單獨的纖維素納米晶。圖8給出了用乙酸鈾染色所得的代表性樣品TEM圖，圖中可看到單個和聚集的纖維素納米晶。數(shù)據(jù)分析得出平均長度為76nm,平均寬度為5.0nm,標準偏差分別為32nm和1.7nm。長度/nmb)寬度/nm圖8由木漿生產的纖維素納米晶的透射電子顯微鏡圖a),分析約1500個纖維素納米晶得到的長度分布直方圖b)和寬度分布直方圖c)通過連接到靈活懸臂上的鋒利的針尖在樣品表面進行AFM掃描工作。當懸臂掃描表面時，保持懸臂的恒定偏轉或振蕩幅度所需的運動，以用于構建三維圖像。AFM同時提供橫向尺寸和顆粒高度。AFM的橫向分辨率受限于針尖與樣品幾何形狀，導致在測量尺寸近似或小于針尖的形貌時，會出現(xiàn)針尖展寬效應。顆粒高度不受針尖卷積效應的影響，可準確測量。用AFM測量的單個纖維素納米晶的表觀寬度遠遠大于實際寬度，特別是對于較小的纖維素納米晶，如木漿制備的纖維素納米晶。對于曲率半徑為10nm的錐體針尖，成像直徑為5nm的圓柱形，測量的寬度約為15nm。該近似值計算見公式(2)[118]W=2[r(r+2R)]…………(2)W——測量寬度；r——特征半徑；R——針尖曲率半徑。對于長度大于100nm的棒狀纖維素納米晶，其針尖展寬效應相對于顆粒長度來說是很小的(小于10%,取決于顆粒的長度和高度、針尖尺寸和相對于纖維素納米晶顆粒長軸的掃描方向)。校正針尖卷積效應需要測量針尖尺寸，可通過作為參考樣品的10nm(平均直徑)金納米顆粒與纖維素納米晶共沉AFM的樣品制備與EM類似，即在固體表面上沉積稀釋的水相纖維素納米晶懸浮液[5,913]。云母是最廣泛使用的支持物，因為它的大面積表面粗糙度很低且干凈，這個表面是在使用前剛切割的幾層表面產生的。使用帶正電的表面，如聚賴氨酸涂層云母，具有對帶負電的纖維素納米晶可重復固定的優(yōu)然后用去離子水洗滌并干燥，可制備出帶正電的均勻表面。將稀釋的纖維素納米晶水懸浮液(稀釋倍數(shù)和用量隨使用的表面而不同)于表面孵化數(shù)分鐘，浸泡在水中以去除未附著的物質，并在氮氣流或清潔環(huán)境中(如氮氣吹掃過的箱子)干減少纖維素納米晶團聚。纖維素納米晶也可在水環(huán)境中成像[120]。盡管這對某些應用來說可能是有利的，但對未修飾的纖維素納米晶的形貌常規(guī)評估來說，它并沒有提供特別的優(yōu)勢。纖維素納米晶形貌的成像要求AFM能進行納米顆粒的測量。接觸模式已廣泛用于定性測量，采用間歇接觸模式操作(通常稱為敲擊模式)可用來減少單個顆粒在針尖上的移動。宜采用曲率半徑小于或等于10nm的探針，以減少針尖形貌卷積。施加的力宜最小，掃描速率和增益宜優(yōu)化，以便對小的、量顆粒的高度。通過測試這幾個作用力來驗證這一點是很重要的。AFM掃描儀宜通過測量標準校準柵格進行校準(x、y和z刻度);z階高度宜與要測量的顆粒的高度相當。詳細的指南見參考文獻[122]典型的AFM圖像見圖9。大的掃描區(qū)域(5μm×5μm或10μm×10μm)提供了對纖維素納米晶樣品整體形貌與分布的評估。有些AFM配有光學顯微鏡，可用來幫助確定適合AFM掃描的樣品區(qū)域。單個顆粒的詳細尺寸需要對1μm×1μm或更小的圖像進行分析。對于具有典型512點/線掃描分辨率的儀器，1μm×1μm圖像對應約2nm/像素。所需的圖像數(shù)量取決于顆粒分布和分析所需的單個顆粒的數(shù)量。3個樣品中300個纖維素納米晶的長度(見圖9d)]和高度[見圖9e]]的直方圖，給出的平均值分別為5.0nm±1.6nm和109nm±46nm。在分析之前，通常需要對圖像進行平滑處理以去除00000a)圖9從木漿中提取的纖維素納米晶的AFM圖a)、b),一根纖維素納米晶的截面c),分析300個顆粒得到的長度的直方圖d)和高度的直方圖e)高度/nm高度/nm長度/nm圖9從木漿中提取的纖維素納米晶的AFM高度/nm圖a)、b),一根纖維素納米晶的截面c),分析300個顆粒得到的長度的直方圖d)和高度的直方圖e)(續(xù))纖維素納米晶的尺寸分布比某些合成納米材料(如金納米顆粒)更寬，通過測量大量的單個顆粒來構建粒度分布直方圖。圖像和粒度分析以及顯微鏡取樣方法見ISO9276-6和ISO使用顯微鏡測試樣本中非常小的一部分時，為確保抽樣具有統(tǒng)計學代表性，宜將原始樣本分開，至少測量3個獨立的部分[17,18]。確保代表性取樣的附加指南見ISO14488[129]。從納米材料的顯微鏡研究中分析單個顆粒的尺寸所需時間經(jīng)常遠比數(shù)據(jù)采集所需時間長，這是通過顯微鏡獲得基于大量顆粒的尺寸分布的一個重要限制?？墒褂瞄_源軟件來實現(xiàn)分析程序自動化，通過對圖像進行閾值處理以確定分析的顆粒，同時排除團聚的顆粒來完成。這種方法要求圖像背景均勻，且樣品沒有污染。與圖像分析相關的另一個主要問題是經(jīng)常出現(xiàn)團聚顆粒，這些顆?？赡艽嬖谟谧畛醯膽腋∫褐?，也可能在樣品沉積在表面時形成。雖然最好將分析限制在單個(非重疊)的纖維素納米晶，但排除大量團聚顆粒會增加所需圖像的數(shù)量，并增加取樣代表性不足的風險。在實際應用中，只有明確界定了單個顆粒邊緣時，才能對相鄰顆粒進行分析。但對“可分析”顆粒的選擇，會將用戶的觀點引入到分析過程中。在分析纖維素納米晶的高度或寬度時，寬度可能沿納米晶體的長度方向變化(見圖9b)和圖9c)]。在分析單個顆粒時宜采用系統(tǒng)的方法(例如，根據(jù)寬度或高度報告最大橫截面)。報告纖維素納米晶尺寸數(shù)據(jù)的一種方法是繪制直方圖，說明長度、寬度和/或高度的分布；通常提供平均值(數(shù)學平均值)和標準差(作為分布寬度的衡量標準),長徑比由平均長度和寬度(或高度)計算得出。計算直方圖數(shù)據(jù)的平均尺寸和尺寸分布標準偏差的程序總結見ASTME2578-07[130]?？紤]到上述圖像分析建議，提供有關分析的顆粒數(shù)量，以及處理團聚纖維素納米晶程序的信息非常重要。木漿CNC樣品的TEM(n=1500)和AFM(n=300)數(shù)據(jù)的代表性直方圖見圖8和圖9。對于大多數(shù)已測量相對大量顆粒的情況，直方圖可通過對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)進行充分擬合。TEM和AFM已經(jīng)廣泛用于測量各種纖維素來源纖維素納米晶的長度和寬度/高度。通?；趯τ邢迶?shù)量的圖像/顆粒進行數(shù)據(jù)分析，并提供平均尺寸或尺寸范圍。這些(定性)數(shù)據(jù)的總結見參考文獻纖維素納米晶的尺寸分析見表3和參考文獻[2][8]。首先，纖維素納米晶呈現(xiàn)出不同形態(tài)的納米棒，其尺寸因纖維素原料和制備過程的不同而有很大差異。木漿纖維素納米晶的平均截面為4nm~9nm,平均長度為100nm～200nm。其他植物，如劍麻和苧麻，也有類似的尺寸，但棉花的纖維素納米晶通常具有明顯更大的寬度。細菌和被囊類動物制備的纖維素納米晶要大得多，其平均寬度小于或等于50nm或在10nm～20nm,平均長度小于或等于1μm或在1μm～3μm。生產工藝對纖維素納米晶尺寸的影響見參考文獻[21][22][23][24][26]。利用AFM測量約300個單獨的針葉樹材紙漿纖維素納米晶[2I]的長度和高度，作為水解時間和酸/漿比的函數(shù)。纖維素納米晶的平均長度105nm~越小。對于棉花纖維素納米晶，高溫水解會使纖維長度減少[22],顆粒的長度和寬度是相關的，越長的顆粒越寬，這可能對通過光散射獲得的尺寸數(shù)據(jù)建模有影響(見6.2)。盡管干燥方法確實會影響樣品的分散性[20,但對木材纖維素納米晶的尺寸影響不大[23]。最后，表面羧基化木漿纖維素納米晶的尺寸與表通過對單個圖像進行定性觀察及對分布標準差的量化分析發(fā)現(xiàn)的第二個規(guī)律是，纖維素納米晶的尺寸分布很寬。植物纖維素納米晶的長度和寬度的通常標準差分別為30nm～70nm及大于1.5nm,見表3。這與使用動態(tài)光散射的整體測量是一致的，是多分散粒度分布(見7.2)。寬分布意味著區(qū)分具有相似尺寸分布的纖維素納米晶群體是很有挑戰(zhàn)性的。與寬度/高度相比，長度的尺寸分布更寬(標準偏差通常大于或等于平均長度的40%,但是平均截面的比例較小，見表3)第三個觀察結果是，顆粒的團聚是一個重要的問題，可通過樣品稀釋和/或超聲處理纖維素納米晶固定化的帶電表面或柵網(wǎng)來最大限度地減少(但絕不會消除)這種現(xiàn)象。通過仔細對比顆粒計數(shù)法與光散射等集合測量方法，有助于將樣品沉積過程中形成的團聚體與樣品本身存在的團聚體區(qū)分開。雖然最好只分析單獨的纖維素納米晶，但這將導致排除大量(和可變數(shù)量)的接觸顆粒。這有一個實際的限制，即需要更多的圖像來達到所需的顆粒數(shù)。若團聚取決于顆粒的大小，這可能是一個更嚴重的問題，例如，若大顆粒有更大的團聚傾向，基于單獨的纖維素納米晶的粒徑分布將向較小的顆粒傾斜。目前這一因素尚未得到解決。第四個觀察結果是纖維素納米晶顆粒形狀不規(guī)則，從TEM圖像中可明顯看出。在TEM圖像在高分辨率原子力顯微鏡圖像中也很明顯，這表明顆粒的高度沿顆粒長軸變化可達數(shù)納米(圖9,見參考文獻[22][73][113][131][132])。這可能是由于在水解過程中，晶體之間的非晶態(tài)區(qū)域不完全水解或去除了單個結晶區(qū)域的一部分。酸水解提取的纖維素納米晶通常由幾種單一元素微晶組成[2,22]。這與XRD測量結果一致，該測量結果估計平均顆粒長度約為20nm,是顯微鏡測量的木漿纖維素納米晶的平均長度的1/5以下[2]。從XRD估計的寬度為3nm～5nm,與顯微鏡得到的寬度相似。表3從各種纖維素原料和提取方法得到的纖維素納米晶的尺寸單位為納米纖維素原料生產方法方法的條件平均長度(標準偏差)平均截面(標準偏差)N?參考文獻木漿(黑云杉)25min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接觸5~320木漿(黑云杉)45℃,64%H?SO?,45min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接觸~325木漿(黑云杉)25min,A/P=17.5AFM,PLL-云母，接觸~270木漿64%H?SO?AFM,PLL-云母，TM6.4(h)7.8(w)°針葉木硫酸鹽漿25min,2%一致性；不干燥AFM,鈦合金涂層硅，63(53)針葉木硫酸鹽漿25min,2%一致性；AFM,鈦合金涂層硅，53(31)漂白針葉木硫酸鹽漿FE-SEM,+柵網(wǎng)，UA(極限分辨率)針葉木硫酸鹽漿70℃,65%H?SO?,AFM,PLL-云母，TM5.0(1.6)針葉木硫酸鹽漿TEM,C-C柵網(wǎng)，UA76(32)5.0(1.7)木漿H?SO?,45℃,TEM,C-C柵網(wǎng)211(70)8.8(5.5)TEM,鈦合金涂層硅5.2(1.6)TEM,C-C柵網(wǎng)，UA248(72)9.1(3.2)桉木硫酸鹽漿40minTEM,C-C柵網(wǎng)，UA510,623木漿64%H?SO?AFM,PLL-云母，TM5.9(1.8)~400細菌纖維素AFM,PLL-云母，TM~430被囊動物48%H?SO?AFM,PLL-云母，TM9.4(5.0)棉短絨AFM,PLL-云母，TM27(52)*冷凍-TEM表3從各種纖維素原料和提取方法得到的纖維素納米晶的尺寸(續(xù))單位為納米纖維素原料生產方法方法的條件平均長度(標準偏差)平均截面(標準偏差)Nd參考文獻棉短絨72℃,65%H?SO?,AFM,PLL-云母，TM21(52)微晶纖維素(木漿)AFM,PLL-云母，TM微晶纖維素(棉花)AFM,鈦合金涂層硅，246(128)5.9(2.3)棉纖維AFM,鈦合金涂層硅，苧麻纖維FE-SEM,+柵網(wǎng)，UA6.5(0.7)—劍麻纖維AFM,PLL-云母，TM5.0(1.5)——劍麻纖維40minTEM,C-C柵網(wǎng)，UA215(67)5.0(1.5)425,2015木漿過硫酸銨TEM,C-C柵網(wǎng)，UA6.0(1.7)200,253木漿過硫酸銨AFM,PLL-云母，TM6.9(3)’A/P是酸漿比?！盤LL-云母是聚賴氨酸涂層云母；TM=輕敲模式；UA=醋酸雙氧鈾染色；C-C柵網(wǎng)，碳膜銅網(wǎng)。除非另有說明，否則AFM測量高度、EM測量寬度。只列出參考文獻中有的標準偏差。參考文獻中根據(jù)直方圖估計的N值表示為“～”。去卷積后使用金納米球測量針尖尺寸。自動化分析?！癆FM測量的高度為7.3nm。纖維素納米晶的寬度并不總是等于高度的，這一點在長的、高長徑比的被囊型纖維素納米晶上表現(xiàn)很明顯，它具有螺旋扭曲的帶狀結構[22]。利用原子力顯微鏡、TEM和低溫TEM測量從棉花和木漿中提取的纖維素納米晶，獲得的長度和寬度也有差異，大多數(shù)纖維素納米晶是由多個微晶通過側向連接組成[22]。若纖維素納米晶的寬度較小，很可能測量的是單個晶體，而不是橫向結合的晶體。根據(jù)預測的木漿晶體結構，預計在3nm～5nm范圍內會出現(xiàn)寬度等于高度的方形截面，這與大多數(shù)EM和AFM數(shù)據(jù)一致。若觀察到寬度比平均高度大1.4nm,表明短軸長度不均等[19]。但是，寬度是通過AFM數(shù)據(jù)的去卷積算法確定的，這可能在測量中引入額外的誤差。表3中數(shù)據(jù)量最大的是木漿纖維素納米晶，在大多數(shù)情況下，來自不同實驗室的數(shù)據(jù)基本一致。除了少數(shù)例外，截面約為5nm,長度80nm～140nm。其他植物來源的纖維素納米晶，如劍麻和苧麻，具有類似的尺寸。按照標準的數(shù)據(jù)采集和分析協(xié)議，不同實驗室用不同的方法制備和測量的纖維素納米GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016晶結果一致。使用AFM、FE-SEM和TEM對從微晶纖維素中分離出來的纖維素納米晶進行表征，三種方法定性分析一致，但沒有進行定量分析[13]。使用EM和AFM對不同實驗室制備的樣品進行表征，兩種方法都給出了5nm的平均寬度，但平均長度卻相差30nmL。AFM和TEM可提供互補的信息，因為TEM提供顆粒寬度，而AFM提供顆粒高度。由于針尖變寬的影響，最好只使用AFM獲得高度測量，而使用EM來測量纖維素納米晶的寬度和長度。然而，在大多數(shù)情況，EM測量纖維素納米晶時，用于增強對比度的樣品染色可能會增加顆粒的團聚[22·112]。顯微鏡技術的選擇通常取決于成本和可用性。AFM可很容易地與力學結合來獲得機械性能，或與光學(熒光、拉曼)顯微鏡相結合，集成于一個顯微鏡平臺對同一樣品區(qū)域進行相關測量。盡管這些材料不在本文件范圍之內，但這些方法對于化學改性纖維素納米晶和含有纖維素納米晶的復合材料表征很有價值。7.2動態(tài)光散射測量粒度動態(tài)光散射(DLS)測量的是懸浮在液體中進行布朗運動的顆粒的散射光強度隨時間變化的波動。這些強度波動與顆粒在溶劑中的擴散速度直接相關，可用來確定平動擴散系數(shù)，該系數(shù)與顆粒大小成正比，進而確定顆粒的流體力學直徑。對于非球形顆粒，可得到等效的流體力學直徑，等效于一個剛性球體的直徑，其擴散速度與分析物顆粒相同。DLS是一種集合方法(與顯微鏡中使用的顆粒計數(shù)方法相比，7.1),同時分析大量顆粒來計算粒度。與EM或AFM相比，它是一種更簡單、更經(jīng)濟和使用更廣泛的方法，易用于質量控制和常規(guī)測量。然而，通過DLS估計的溶解顆粒的重均等效流體力學直徑d?,幾乎總是與用顯微鏡方法測量的直徑不同。對于球形顆粒來說，這些差異主要是由于雙電層造成的，而對于其他形狀的顆粒，如納米棒，則情況更加復雜。用DLS測量納米顆粒的粒度分布是很成熟的，測量方法和數(shù)據(jù)分析見標準和協(xié)議中的描述[13+136]對于纖維素納米晶，典型做法是將樣品用5mmol/L～10mmol/L的NaCl溶液稀釋到0.05%的質量分數(shù)。使用較低的NaCl濃度可防止膠凝或團聚現(xiàn)象。重要的是要避免樣品、試管或NaCl溶液的污染(例如灰塵顆粒),因為較大顆粒的散射強度大得多；檢測前，宜過濾懸浮液以去除這些顆粒。散射強度與r°成正比(r是散射顆粒的半徑),這意味著100nm顆粒的散射強度將比10nm顆粒的散射強度大一百萬倍。通常情況下，對每個樣品宜至少進行3次測量(每個測量值都是幾個讀數(shù)的平均值，具體數(shù)值通常由儀器數(shù)據(jù)采集軟件自動選擇),并宜測量一個等效的空白樣品(不含纖維素納米晶),以檢查背景散射。將原始數(shù)據(jù)(光散射強度波動)繪制成一個相關函數(shù)，從中得到平動擴散系數(shù)D,。也可使用累積量分析方法，將數(shù)據(jù)擬合為多項式，以獲得D,[1aJ。然后用斯托克斯-愛因斯坦(StokesEinstein),即公式(3)計算平均流體動力直徑d?:式中：k——玻爾茲曼常數(shù)；T——熱力學溫度，單位為開爾文(K);η——介質的黏度。該計算擴散系數(shù)的方法需要精確的溫度值(通常由儀器軟件提供)、懸浮顆粒的液體(如5mmol/LNaCl溶液)的黏度和折射率。相關函數(shù)的擬合還提供了多分散性指數(shù)PI,這是粒度分布寬度的無量綱測量值[134]。對于單一高斯分布，PI由公式(4)定義：PI=σ2/d'……(4)式中：o——標準偏差；d?——平均粒徑(用等效流體力學直徑表示)。體積/%體積/%注意，使用Cumulants方法擬合只給出了重均值和PI,而不是實際的粒徑分布。DLS提供的重均分布與顆粒計數(shù)方法得到的數(shù)均分布不同。纖維素納