在超聲作用下，以磷鎢酸為催化劑水解微晶纖維素，高效快速的制備納米纖維素(NCC)。磷鎢酸濃度為75%的情況下，室溫下超聲15 min，NCC產率約為84%。采用透射電子顯微鏡、X射線衍射儀和傅里葉變換紅外光譜儀對NCC的形貌、晶型結構及光譜性質進行分析。結果表明：超聲輔助磷鎢酸催化制備的NCC呈棒狀結構，直徑分布在19.6~94.0 nm，長度分布在112.4~639.7 nm，晶型結構仍屬于纖維素I型，結晶度為82.9%，NCC仍然具有纖維素的基本化學結構。

纖維素是自然界蘊藏*為豐富的天然高分子聚合物。當纖維素具有納米尺度時，稱為納米纖維素(nanocrystalline cellulose, NCC)，其直徑在5~100 nm 之間，長度從幾十到幾百納米，呈棒狀結構。納米纖維素具有高強度和彈性模量、高結晶度、超精細結構、大的比表面積、良好的透明性、較高的表面活性等優良特性，同時還具有天然纖維素的輕質、低毒、生物可降解和可再生等性質，使其在制藥、生物、化妝品及塑料等領域顯示出廣闊的應用前景。目前納米纖維素的制備及性能研究已成為之一。天然纖維中的纖維素分子是由β―(1，4)―D―葡萄糖基構成的線性鏈。纖維素纖維由向列有序的結晶區和無序的非結晶區構成。在一定物理化學處理手段下，纖維素的非結晶區域優先于結晶區域發生反應，生成小分子而被去除，留下納米尺度的纖維素晶須。比較主流的制備方法是濃硫酸水解法，但使用強酸處理對環境污染大，而且產品后處理復雜，反應后的殘留物難以回收。

具有Keggin 結構的磷鎢酸是一種綠色環保且可重復使用的固體酸，可在制備NCC 的過程中代替無機酸。而超聲處理引起的“空化效應”能夠促進物理和化學反應速率，從而提高纖維素的可及度。本文利用超聲輔助磷鎢酸水解纖維素的方法制備NCC，將超聲的作用應用于整個酸水解的過程中，提高磷鎢酸水解效率，以期高效快速的制備NCC。與常規酸水解方法相比，該方法具有反應時間短、對設備腐蝕性小、環保等優點。

NCC 的制備

配制濃度為70% (w/w)的磷鎢酸水溶液，隨后按照MCC 與超純水1:10 (w/v)的比例向磷鎢酸溶液中加入MCC，攪拌均勻后，在室溫下超聲處理。超聲波破碎儀探頭采用φ3，超聲時間為3 min，5 min，10 min，15 min，20 min。反應結束后，將過量乙醚與纖維素溶液混合，靜置后分為三層，下層為乙醚和磷鎢酸混合液，收集后除去乙醚可以回收磷鎢酸；上層是乙醚和水的混合液；中間層是NCC 和水的混合物。用過量的乙醚萃取兩次，留下中間層離心洗滌后得到NCC。

NCC 膜的制備

將濃度為2.5%的NCC 懸浮液超聲波破碎儀分散5 min，以確保NCC 均勻分散在水中。然后取6 ml 置于培養皿中，室溫下干燥3 天即得到NCC 膜。

NCC 氣凝膠的制備

NCC 懸浮液稀釋至0.6%，超聲波破碎儀分散5 min，置于?60℃冷凍12 h，然后冷凍干燥，即得到NCC 氣凝膠。

NCC 得率的計算

取一定量的NCC 懸浮液于稱量瓶，冷凍干燥。根據公式計算NCC 得率，測量三次取平均值。

超聲時間對NCC 得率的影響

磷鎢酸表面存在大量的B 酸位，能夠催化纖維素水解。Liu 等[7]在未加超聲的條件下，利用70%的磷鎢酸催化纖維素水解制備NCC 需要大約30 h，產率為60%。本實驗采用超聲輔助磷鎢酸水解纖維素的方法制備NCC，并考察不同超聲時間對NCC 產率的影響。圖1 顯示NCC 的產率隨著超聲時間的延長而提高。在超聲反應15 min 時，NCC 的產率就達到84%左右，大大縮短了反應時間。這是因為超聲產生的空化泡在水相中瞬間發生破裂，由此產生強烈的沖擊波，并釋放出大量的機械和熱能。這樣的液體高能泡能夠與纖維表面產生強烈的碰撞從而導致纖維素分子內和分子間氫鍵的破壞和纖維素糖苷鍵的斷裂。這使得纖維內部變得松散而有益于酸的滲透，增加了磷鎢酸和纖維反應的機會，從而提高酸水解效率。在超聲條件下，采用磷鎢酸為催化劑水解MCC，制備NCC，通過透射電鏡觀察發現所制備的NCC呈棒狀結構，直徑和長度分別分布在19.6~94.0 nm 和112.4~639.7 nm。NCC 的產率隨著超聲時間的延長而提高，在超聲反應15 min 時，NCC 的產率就達84%，與不加超聲相比，大大縮短了反應時間。XRD分析結果可知NCC 的幾個衍射峰的位置與MCC 基本相同，表明NCC 保持了纖維素Ⅰ的晶型結構，結晶度為82.9%。FTIR 分析結果表明，磷鎢酸水解制備的NCC 的特征峰沒有發生明顯的變化，說明NCC仍然具有纖維素的基本化學結構。干燥方式對NCC 的形貌和結構具有很大影響，室溫干燥下NCC 形成透明的膜，而冷凍干燥下形成具有三維多孔結構的氣凝膠。