GB/T 43263-2023 纳米技术 纤维素纳米晶的表征方法（正式版）

GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016纳米技术纤维素纳米晶的表征方法Nanotechnologies—Characterizationofcellulosenanocrystals(ISO/TR19716:2016,IDT)2023-11-27发布国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会IGB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016 Ⅲ 12规范性引用文件 13术语和定义 14符号和缩略语 2 3 56.1化学组成 56.2表面官能团 56.2.1硫酸半酯的测定 56.2.2羧酸含量的测定 86.3聚合度 96.4结晶度 6.4.1概述 6.4.2X射线衍射 6.4.4振动光谱 6.4.5纤维素纳米晶结晶度的测量 6.5水分含量 6.6.1概述 6.6.2源自纤维素生物质的残留杂质 6.6.4X射线光电子能谱法检测杂质 7纤维素纳米晶形貌 7.1显微镜得到的长度和宽度分布 7.1.1概述 7.1.5纤维素纳米晶的显微尺寸分布 7.2动态光散射测量粒度 ⅡGB/T43263—2023/ISO/TR19716:20168纤维素纳米晶表面特性 8.1比表面积 8.2表面电荷 9其他特性的表征 9.1热稳定性 9.2黏度 ⅢGB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件等同采用ISO/TR19716:2016《纳米技术纤维素纳米晶的表征方法》,文件类型由ISO的技术报告调整为我国的国家标准。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。IVGB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016素纳米晶的商业化开发可行性。纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝在一些国家是以中试、预商业化或商业化规模生产的。根据预计的应用领域和市场渗透率，纤维素纳米材料的全球产量每年达3500万吨[4,5]。为了对纤维素纳米晶进行认证以实现商业开发和应用，需要制定纤维素纳米晶的表征方法标准。向列相的棒状纳米材料。它们的长度小于纤维素纳米纤丝，但具有更高的结晶度。由于具备上述性对纤维素纳米晶商业化产品的开发具有重要作用。本文件描述了用于表征特定性质的各种方法，但没有推荐标准方法或提供这些技术的详细信息。本文件范围仅限于生产的纤维素纳米晶，不包括生产后改性的纤维素纳米晶或纤维素纳米晶增强材料或产品。1GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016纳米技术纤维素纳米晶的表征方法3.13.2注1:支撑聚集体的力都是强作用力，如共价键或源于烧结或复杂的物理缠结。3.33.4米物体。注1:最长的外部尺寸不一定在纳米尺度。3.52GB/T43263—2023/ISO/TR19716:20163.63.7纳米尺度nanoscale处于1nm至100nm之间的尺寸范围。4符号和缩略语AEC:阴离子交换色谱法(anion-exchangechromatography);AFM:原子力显微镜(atomicforcemicroscopy);BET:BET比表面积测定方法(Brunauer-Emmett-Tellermethodfordeterminationofspecificsur-CrI:结晶度指数(也称CI)[crystallinityindex(alsoCI)];CNC(s):纤维素纳米晶[cellulosenanocrystal(s)];CP-MAS:交叉极化-魔角旋转(crosspolarizationmagicanglespinning);dn:流体力学直径(hydrodynamicdiameter);DP:聚合度(degreeofpolymerization);D₁:平动扩散系数(translationaldiffusioncoefficient);DSC:差示扫描量热法(differentialscanningcalorimetry);DLS:动态光散射(dynamiclightscattering);EM:电子显微镜(electronmicroscopy);FE-SEM:场发射扫描电子显微镜(fieldemission-scanningelectronmicroscopy);FTIR:傅里叶变换红外光谱(Fouriertransforminfraredspectroscopy);GLC:气-液色谱法(gas-liquidchromatography);ICP-MS:电感耦合等离子体质谱(inductivelycoupledplasma-massspectrometry);ICP-OES:电感耦合等离子体发射光谱(inductivelycoupledplasma-opticalemissionspectroscopy);ID:同位素稀释(isotopedilution);IR:红外(infrared);PI:多分散性(polydispersity);ssNMR:固体核磁共振(solidstatenuclearmagneticresonance);SEC:尺寸排阻色谱法(sizeexclusionchromatography);SEM:扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy);TEM:透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy);TEMPO:2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxyfreeradical);TGA:热重分析法(thermogravimetricanalysis);UE:电泳迁移率(electrophoreticmobility);XPS:X射线光电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy);XRD:X射线衍射(X-raydiffraction);E:介电常数(dielectricconstant);3GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016k:波尔兹曼常量(Boltzmannconstant);y:黏度(viscosity)。5纤维素纳米晶的制备纤维素是一种线性多糖，由相邻葡萄糖环的C₁和C₄碳原子之间的氧原子连接而成的脱水葡萄糖用下，组装成基元纤丝。聚合物链的数量和结构是生物体特有的。这些基元纤丝进一步组装成尺寸更纤维素纳米晶由一根或多根基元纤丝构成，包含有结晶区和无定形区。纤维素纳米晶的长度和宽度尺寸与其制备原料密切相关，纤维素纳米晶的长径比通常为5～50,无分支或网状结构。术语纤维素纳米晶与纳米晶纤维素和纤维素纳米晶须同义。纤维素纳米纤维或纳米纤丝化纤维素通常比纤维素纳素成分。纤维素纳米纤维的宽度通常为5nm～50nm,长径比大于50。纤维素纳米材料术语见参考文献[6]。纤维素纳米晶可从多种富含纤维素的原材料制备，其制备原料以木材和其他植物为主，也包括藻促氧化和过硫酸铵氧化[¹6-18。在酸水解或氧化处理后，通过离心/过滤和洗涤等步骤纯化纤维素纳米晶。酸水解制备纤维素纳米晶的典型步骤如图2所示。3-—纤维素纳米晶；4必要时重复GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016必要时重复去除大颗粒；离心、重力沉降等去除酸、糖等；成分(结品度，聚合度和表面化学);颗粒形态(长度、宽度);—表面性质(Zeta电位、表面积等)TEMPO(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧自由基)催化氧化方法可将使用硫酸或盐酸制备的纤维素纳米晶尺寸与所用的纤维素原料相关，木浆制备的纤维素纳9nm,而细菌和被囊动物制备的纤维素纳米晶的尺寸更大，长度为1μm～2μm,宽度可达50nm[2]。由酸水解制备的纤维素纳米晶悬浮液可直接使用。但在大多数情况下，通过用氢氧化物(XOH)晶盐(X-CNC,其中X是与阴离子基团相关的反离子),例如，用氢氧化钠(NaOH)或碳酸钠(Na₂CO₃)中和H-CNCs,是pH中性的Na-CNC盐最典型的商业化生产方式。通过氢氧化物碱溶液中和酸性基后的产品可在水中分散等优点[28],可将纤维素纳米晶水悬浮液进纳米晶样品。有些表征方法需要干燥的样品，而有些表征方法则需使用纤维素纳米晶悬浮液。使用纤维素纳米晶的水悬浮液时，可用去离子水、稀释的缓冲液或盐(NaCl)溶液将样品稀释到所需浓度。干5GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016燥的样品可在水中重新分散，关于粉末在液体中分散的通用指南见ISO14887[3]。尽管超声处理步骤品溶液的再分散性和可重复加工性，并非易事。具有完全质子化硫酸半酯的纤维素纳米晶薄膜在干燥相似的、稳定的胶体悬浮液29]。通过蒸发、冻干或喷雾细步骤可参见参考文献[28]。干燥纤维素纳米晶晶浓度)均会影响纤维素纳米晶(再)分散性。纤纤维素纳米晶只有在水分质量分数在4%的阈值以上时才可完全分散。本文件使用硫酸水解方法制备并在纤维素表面有硫酸半酯基团修饰(纤维素硫酸酯)的纤维素纳米的纤维素纳米晶制备方法的。纤维素反离子的性质对某些测量很重要，特别是通过电导滴定法(见6.2.1和6.2.2)和Zeta电位(见8.2)确定由硫酸半酯或羧酸盐基团产生的表面电荷。除非另有说明，纤维素纳米晶样品中特定反离子并不影响本文件中讨论的表征方法。纤维素纳米晶具有的特定物理化学性质，与含有的纤维素颗粒及制造过程进行的表面化学有关。a)化学性质描述(纤维素，硫酸氢盐与总硫含量质量分数大于或等于0.5%、小于或等于1.0%的钠盐);b)生产方法描述(通过硫酸水解漂白纸浆制得);c)长度(标称长度为100nm±50nm)和宽度(宽度尺寸小于或等于10nm)的几何描述，在设定6组成面官能团取代度已知的情况下，也可通过元素分析来确认它们的化学组成。尽管元素分析提供了一些关于表面官能团的信息(例如硫酸半酯中硫的百分含量),但通常使用更详细的测试来量化表面官能团(见6.2)。使用6.4.1中概述的测定硫方法，利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)可确定具有阴离子表面基团纤维素纳米晶的无机金属反离子含量。通常，纤维素纳米晶的密度与其他类型纤维素相6.2表面官能团通过硫酸水解方法制备的纤维素纳米晶，其表面有硫酸半酯基团。这些负电荷基团的浓度决定了流变性能。测定硫酸半酯含量有两种方法。第一种方法是化样品以确保去除所有残留的未结合硫酸根离子后，测得的总硫含量可直接转换为纤维素纳米晶硫酸半酯含量[37];第二种方法是利用碱溶液对纤维素纳米晶表面的6GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016较各种纤维素纳米晶的测定结果。通过元素分析或电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测量总硫含量，使用的光谱仪配有同心雾溶解[38]。消解后，使用批量赶酸系统蒸发多余的酸。利用硫在180.669nm和181.972nm的发射线，通过ICP-OES进行分析。使用标准加入法测试(以补偿任何残留的基质干扰),其中硫酸盐中硫的增量加标由硫标准物质溶液(如硫国家标准物质/样品)制备。稀释样品以确保响应在线性范围。样品中加入重量上至少两个增量水平的适当量的已知校准标准，每次加标后样品中总硫浓度宜增加一到两倍，且分析响应是线性的。硫浓度的计算需要三点(最小)加标校准。由于样品和空白加标校准函数的使用碱溶液(如氢氧化钠)对纤维素纳米晶表面的酸性硫酸半酯基团进行电导滴定，是测定硫酸半分数小于或等于1.5%),然后用纯水透析，直到膜周围水的pH和电导率接近纯水且不再变化。也可使透析时间。在纤维素纳米晶质子化之前，氢型强酸性阳离子交换树脂宜用大量纯水冲洗，直到滤液无新鲜树脂进行多次连续处理，特别是在纤维素纳米晶以中性盐的形式存在时，以实现完全质子化。另解离子的纯纤维素纳米晶悬浮液完全质子化，产生的硫酸半酯与质子的比例为1:1,确保了滴定结果的准确性。最后，用重量法测定质子化纤维素纳米晶样品的浓度。将已知体积的样品称量后与稀盐化钠样品达到平衡后，测量样品的电导率。由滴定曲线不同区域数据点所拟合的回归线交点来确定等价点(见图3)。加入NaOH的体积/mLa)含有强酸性硫酸半酯基和少量弱酸性羧酸基的H-CNCs7GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016NaOH的体积/mL图3电导滴定曲线示意图(续)解释电导滴定数据时，不要将实际检测到的质子(通过氢氧化钠中和)与根据滴定结果计算的硫酸半酯含量相混淆。基于样品中质子与硫酸半酯基团的比例是1:1的假设，进行滴定法的计算。滴定法通过滴定和元素分析测量的木质纤维素纳米晶和其他类型纤维素纳米晶的硫酸半酯和硫含量典型由于滴定分析的纤维素纳米晶样品准备不足，特别是不能确保纤维素纳米晶在透析纯化后完全质子使用元素分析来估算硫酸半酯的纤维素纳米晶表面电荷，宜同时对纤维素纳米晶纤维素原料进行元素定剂接触的质子化硫酸半酯基)、对表面电荷有贡献酯含量(可被滴定剂接触和不可被滴定的硫酸半酯基团)不一定是完全一样的数值。针叶树材牛皮纸浆纤维素纳米晶总硫和可滴定硫是相等的，这表明其素纳米晶的元素分析与质子化纤维素纳米晶的电导率滴定相结合，可得到最全面的信息。通过盐酸水素纳米晶不含含硫杂质，且已完全质子化，则不同方法测定的硫含量通常质量分数相差不超过0.1%[37]。通过硫酸水解提取，然后经过TEMPO催化氧化制备的表面羧酸纤维素纳米晶样品中硫酸半酯含原子百分比数值一般在0.3%~0.6%。将纤维素纳米晶表面含硫量的元素分析结果与电导滴定结果进行比较，其含硫量与表1中数据8GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016和电导滴定方法都表明，脱硫后的纤维素纳米晶比硫酸水解得到的初始纤维素纳米的变化。虽然没有报告薄膜的厚度，但当用XPS测量单个单层纤维素纳米晶薄膜时，原则上两种方法会得到相同的硫含量，因为约10nm的穿透深度大于颗粒宽度(关于纤维素纳米晶的XPS测量的更多表1各种纤维素纳米晶样品中硫酸半酯和硫含量单位为毫摩尔每千克纤维素原料滴定法(标准偏差)元素分析(标准偏差)预处理参考文献棉花205(10)220(20)b透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白硫酸盐纸浆)透析细菌(高纤维椰果)纤维素5透析阔叶树材(桉树)透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白亚硫酸盐纸浆)290(35)透析，混合床离子交换树脂针叶树材(可溶性亚硫酸盐纸浆)0.57个原子%透析棉花221(6)透析，强酸阳离子交换树脂棉花透析，混合床离子交换树脂针叶树材(漂白硫酸盐纸浆)225(15)225(15)透析，强酸阳离子交换树脂列出的标准差见参考文献。未指定元素分析技术。通过X射线荧光进行元素分析。通过XPS进行元素分析(基于C、O和S含量)。通过硫燃烧为二氧化硫的定量转换进行定量分析，使用红外或热电导率仪检测燃烧气体中的硫。通过ICP-OES进行元素分析(总硫)。用氢氧化钠通过电导滴定法测定氧化的纤维素纳米晶的羧酸盐含量方法与6.2.1中所述相似。滴3个线性部分(强酸、弱酸、过量滴定剂)确定羧酸盐的含量，从而得酸含量中减去强酸含量，得到弱酸(羧酸)含量(见图3b)]。如6.4.1所述，在已被高度氧化(如通过TEMPO催化氧化)的硫酸水解纤维素纳米晶中，硫酸半酯基团(强酸)的存在阻碍了用电导滴定法测定羧酸含量。9GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016利用电导滴定法测定表面羧酸含量可得到样品的氧化程度，定义为纤维素纳米晶样品中羧基的质大大高于硫酸半酯的典型值200mmol/kg(见表1)。表面羟基完全氧化的不同表面积/质量比的纤维素纳米晶颗粒将给出不同的氧化程度。若基于单晶晶胞参数估算纤维素链及表面(羟基)分数，则预测得到的氧化程度与实验测得的值通过傅里叶变换红外光谱(FTIR),使用1634cm-¹处羧酸的羰基伸缩振动产生的强吸收带，也可算氧化程度。因为在这个区域存在吸附水的干扰[5],宜避免使用1608cm-¹处的羧酸盐阴离子的羰基聚合度(DP)是单个纤维素聚合物链中葡萄糖单元的数量，是衡量纤维素纳米晶生产过程中纤维素取的纤维素纳米晶的DP极限值为90～200,从藻类中分离得到的较大纤维素纳米晶的DP最高值达6000[8]。有两种方法可测量各种纤维素材料包括纤维素纳米晶的DP。第一种比较简单的方法依据测量溶解在铜乙二胺溶液中的纤维素的极限(特性)黏度，参照纸浆、纤维素和纸张及纸板黏度测量的标准方起来。通过以DP为目标参数，对化学浆料提取纤维第二种测量纤维素纳米材料DP的方法是尺寸排阻色谱法(SEC),使用标准样品进行校准或通过多角度光散射直接测定分子尺寸。SEC方法的优点是提供DP分布，而不是平均DP(见图4)。这种方法要求纤维素在色谱分析前完全溶解，通过在含金属的溶剂中的溶解来实现，如含氯化锂的N,N-二甲半纤维素的纸浆，溶剂的选择对转化有显著影响。尽管SEC在确定DP分布方面有优势，但与更简单GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016洗脱体积/mL和无序的无定形区。纤维素纳米晶结晶度是一个重要的评估参数，因为它影响到纤维素和其所包含纤产生的形式。纤维素I是两种多晶(同质异晶体)的混合物，其相对数量因纤维素来源而异，纤维素I具有三斜结构，在藻类和细菌中占多数，单斜纤维素Ig是高等植物和被囊动物中最丰富的多晶类型。利用X射线衍射(XRD),以及固体³C核磁共振(NMR)、红外(IR)和拉曼光谱，已经对包括纤维素纳米晶在内的多种纤维素材料中的结晶纤维素成分进行了广泛研究[6368]。各种方法提供了关于两种晶型的比例、结晶度(定义为样品中由晶体组成的质量分数)的信息，XRD表征还提供了单个晶体的尺寸。在某些方法(如XRD)中，结晶度取决于所使用的仪器。下文讨论了通过XRD、NMR和振动光谱测定都集中在木浆或较大的纤维素纤丝上，而不是纤维素纳米晶。尽纤维素，本文件主要使用无序及结晶(结晶度%)术语。6.4.2X射线衍射纤维素纳米材料具有晶体和无序成分的特征衍射图案(见图5a)、图5b)和图5c)],可通过每个组分在20世纪50年代开发的峰高法。此方法(见图5a)]基于在22.6°和18°处的20衍射角，分别代表结晶和无序纤维素信号的峰值高度，在修正了背景强度后，根据结晶(I200)和无序(无定形，IAm)峰的高度来计算结晶度指数CrI=(I200—IAm)/(I200)×100…(1)GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016第二种方法是采用去卷积程序来分离衍射谱中的无序和结晶成分[见图5b]]。此曲线拟合程序需自晶体尺寸的贡献。在对衍射谱进行去卷积后，结晶度计算为所有结晶峰面积与总面积的比值。第三独测量一个完全无序的样品确定的。a)峰高法c)减去无序物质的方法图5纤维素的X射线衍射谱图计算结晶度指数的3种方法使用谢乐(Scherer)公式从XRD测量数据中估算晶体尺寸[72],该公式依赖于对结晶峰半高宽的测量，并假定峰宽是由晶体的有限尺寸决定的[7]。仪器展宽和晶格缺陷也可能导致线的展宽，估计GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016于量化两种晶型的比例74]固体³C交叉极化魔角旋转(CP-MAS)核磁共振也被用来估算纤维素纳米材料(包括纤维素纳米间(见图6a)],具有宽且分离良好的峰，指认为C₁、C₄和C₆。由于约85×10-⁶~92×10-6晶体碳和约80ppm～85ppm无序碳的共振，C₄具有明显的共振。由于纤维素的结晶性和无序性，C₆也表现为单度，测得结晶度为64%。对各种类型纤维素进行核磁共振研究，采用各种峰值拟合和去卷积方法详细地分析波谱。例如，在某些情况下，晶体C₄的信号可分成由I。和Ig晶型以及准晶纤维素组分[见图6b)中去卷积后C区域的波谱]。准结晶纤维素的有序度低于结晶成分，但比无序纤维素的有序度高，通常指认为纤维素纤维表面以下的纤维素链或内部的扭曲。C₁和C₆对定量I。和Ip晶型的比例和去卷积方法，将无序纤维素的C₁共振分解为可接触和不可接触的碳(见图6b)],以评估其表面积，如7.1所述。这些方法的详细描述见参考文献[65][77]。另一种从固体¹³C的CP-MASNMR数据中估算纤维素结晶度的方法，依据质子在旋转坐标系下的弛豫时间常数[T₁(H)]的差异来解析有序和无序纤维素导致的峰值。无定形纤维素引起的共振比结晶成分引起的共振衰减得更快，记录两个或更多的T₁o(H)共振谱可用来确定结晶纤维素的对一种商业纤维素的XRD和NMR方法进行比较，并使用6.4.2和本条中描述的方法对8种商业NMR包括无序部分的表面基团，因此结晶度将低于XRD测量的结晶度，XRD可估计结晶纤维素的总X图6固体1³C交叉极化魔角旋转核磁共振波谱GB/T43263—2023/ISO/TR19716:20168(ppm)X---13C化学位移[ppm];——C₁;——C₄,结晶；—---C₆,结晶；2——Ig;3———AFS;4———IAFS;6.4.4振动光谱振动光谱法可定性和定量评估纤维素材料的结晶度，该方法使用成本较低的设备(与XRD或NMR相比)进行常规测量，并更快给出结果。早期研究采用红外光谱来提供结晶度的定性预测；随后开发的FTIR光谱仪实现了定量测量。基于测量无序和结晶含量的峰值比率，或测量对结晶含量敏感的1429cm-¹和异构CH变形振动导致的893cm-¹峰的强度比，分别衡量结晶和无定形含量，可确定以及CH和CH₂拉伸振动模式引起的信号强度比可得到(总)结晶度指数。CH弯曲振动模式的强度随着结晶含量的增加而增加，而CH拉伸振动则不受结晶度变化的影响[8s]。类似化的1280cm-¹的CH弯曲振动带和1200cm¹的OH弯曲振动带[85]。通过使用已知结晶度的测试样品，或将测得的结晶度与X射线衍射测得的值比较，来进行红外方法验证或校准。基于3336cm-和1336cm-¹处分别由分子内氢键和OH伸缩振动引起的峰强度比的经验关系可确定氢键强拉曼光谱法也用于测量纤维素I的结晶度。最初的方法是基于对1481cm-¹(结晶)和1462cm-(无序)的亚甲基弯曲振动模式的变化进行量化67]。通过对结晶和无序纤维素的光谱较单变量和多变量拉曼方法的结果，表明380cm-¹和1096cm-¹GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016素和半纤维素的贡献；拉曼光谱数据与采用非晶校正峰高法计算的XRD结晶度吻合良好[87]。使用在大多数情况下，使用XRD、NMR或振动光谱来测量结晶度时，需要样品保持干燥状态。有些样品制备方法直接使用了干的材料。将悬浮液沉积到一个合适的支撑物上并干燥可制备薄膜样品。有两种XRD样品制备方法，一种制备方法是将干的纤维素纳米晶粉末压在干净的硅或玻璃槽中，或在100kPa～1GPa压力下将粉末压入槽中。另一种制备方法是将纤维素纳米晶水相悬浮液沉积于硅槽后干燥。样品制备方法可能引入晶体的取向，这将影响衍射峰的强度，从而影响结晶度指数(CrI)和晶样品放置在氧化锆MAS转子中，旋转速率的典型值为3kHz～10kHz。经过浓缩以去除大部分水分的再水化样品或未经干燥的悬浮液也可用CP-MAS测量。将干燥纤维素纳米晶压入溴化钾片中，或用悬浮液在衰减全反射晶体(ATR)上沉积一层薄膜来制备FTIR测试样品。使用XRD和NMR测量纤维素纳米晶的数据见表2。利用这两种方法可进行纤维素纳米晶的结晶度和形态表征，如用XRD测量了木浆纤维素纳米晶结晶度与酸浓度和水解时间的关系[27]。峰高法品，这两种方法之间的差异约为两倍(见表2的第一条)。去卷积法测量的结晶度在68.9%至89.1%之间变化，在45℃的64%酸溶液中获得最高值(～90%)和最小的晶体尺寸(～6nm,宽度),最高的结晶度对应最小的聚合度。从稻草中提取的纤维素纳米晶也有类似的趋势，即水解时间越长，结晶度越高(最高可达90.7%)[90]。从苎麻和棉花中提取的纤维素纳米晶的结晶度测量值接近90%[91]。由棉花和木浆氧化产生的羧基化纤维素纳米晶的结晶度为85%和83%,接近于用硫酸提取的纤维素纳米晶的最高值[16,501,在其他情况下获得的数值较低(见表2)。由于样品制备或数据分析的影响可能会抵消结晶XRD数据表明，植物来源的纤维素纳米晶可达到约90%的极限结晶度。相比之下，核磁共振研究态贡献的一部分，由于小颗粒比大颗粒表面原子所占比例更大，可预期纤维素纳米晶的XRD和NMR的检测结果差异会比大尺寸纤维素纤维的更大。高XRD方法[94],结晶度都在60%～90%,但峰高法得到的结晶度没有明显的升高趋势。对于同一样给出的值为64%(见图6a)]。对于木质纤维素纳米晶，NMR给出的数值略高于XRD²4]。最后，利用过硫酸铵氧化棉花制备的羧基纤维素纳米晶(带有H+或Na+反离子)的结晶度为85%,而通过FTIR测量的侧向有序指数的数值较低，仅为63%[501。纤维素原料生产方法方法(分析)结晶度/%晶体尺寸/nm参考文献木浆硫酸XRD(DC,PH)68.9,80.75.8～8,3XRD(DC,PH)—木浆硫酸XRD(DC)3.4,4.3,4.5°盐酸XRD(DC)4.1,4.2,5.0GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016表2从各种纤维素原料生产的纤维素纳米晶的结晶度和晶粒尺寸(续)纤维素原料生产方法方法(分析)"晶体尺寸/nm参考文献木浆硫酸剑麻纤维硫酸苎麻硫酸棉花硫酸棉花硫酸稻草硫酸细菌硫酸硫酸~60木浆硫酸木浆硫酸50～55木浆硫酸细菌纤维素硫酸被囊类动物硫酸棉花过硫酸铵MCC,微晶纤维素过硫酸铵分析方法：对于X射线衍射，DC=去卷积，PH=峰高(结晶度随测量方法、仪器和分析程序变化的讨论见h水解条件：25min,酸的质量分数为16%、45℃(第一行)和酸的质量分数为65%、45℃(第二行)。垂直于3个晶面的微晶尺寸。d含硫和脱硫纤维素纳米晶具有相似测量值。还研究了一些通过过硫酸铵氧化法从其他来源生产的纤维素纳米晶。分析前将纤维素纳米晶中的水分去除，残留的水分含量会影响样品的再分散性及其在储存期间的稳定常包括测量样品在烘箱干燥(约105℃)前后的质量；在其他挥发性成分也可能导致损失的情况下，样品宜在干燥器中进行干燥。纤维素纳米晶中组成植物细胞壁重要部分的木质素等。在分离纤维素纳米晶的过程中，有时会引入污染物(如酸水解或氧化产生而未能通过透析去除的残留盐类及残留小分子，如脂肪酸或萜类)。残留的GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016采用几种标准方法量化纸浆、纸张和纸板样品的碳水化合物含量及木质素含量。尽管这些方法在对于残留的多糖，可先水解纤维素样品，然后利用气-液色谱法(GLC)[98]或高效阴离子交换色谱法定木质纤维素纳米晶中木质素含量，适用的木质素含量范围在0.3%～3%100]。对于存在于初始纤维素材料中且在纤维素纳米晶纯化过程中未被去除的小分子，或在纤维素纳米晶储存和处理过程中生成纤维素纳米晶中残留的金属离子会对健康和环境构成潜在的风险，并可能干扰其他测试或材料的某些应用/最终用途。通过微波辅助的混合酸消解法完全溶解样品后，可用ICP-MS定量分析金属杂质。测定铬和铁含量时，宜使用中等分辨率模式的扇形场质谱仪(分辨率约4000)或配备碰撞池或动态反应池的质谱仪，以消除样品或等离子体中其他成分产生的潜在干扰。样品的微波消解与标准加入法的校准参照6.2.1中描述的ICP-OES测定总硫含量的方法。虽然标准加入法常用于痕量元素的测定，但是显著的信号漂移会降低最终结果的准确性。带反同分析物进行精确定量，从而补偿样品操作过程中分析物的损失和样品基质中存在元素对离子灵敏度的ICP-MS或ICP-OES也可用于定量分析纤维素纳米晶样品中残留盐类，如酸水解或氧化制备样品时残留的硫酸钠。在透析前后检测的Na-CNCs样品中钠和/或硫含量之间的差异可指示未纯化样品中游离盐的含量(见参考文献[38])。6.6.4X射线光电子能谱法检测杂质利用X射线光电子能谱(XPS)法相同[107],通过测量从一束X射线照射的表面逸出电子的动能和数量获得XPS谱图。虽然XPS是一GB/T43263—2023/ISO/TR293291289287285283281C₁——脂肪族碳；C₂—-—葡萄糖环中的C-O-C;硫酸水解制备的棉花纤维素纳米晶的XPS谱利用碳1s和氧1s峰的低分辨率XPS测量纯纤维素的碳氧原子比1.2的偏离情况。更详细的分析可通过～285eV的高分辨率C₁s能谱的去卷积来获得，如图7所示，由于键合方式不同，碳可分成4个成分峰：C₁为脂肪族碳(C-C),C₂为葡萄糖环中的C-O-C或C-OH,C₃为葡萄糖环中的O-C-O,C₄为聚合物链中的酯(O-C=O)。脂肪族sp³碳(C-C/C-H)的存在为非纤维素杂质提供了证据，因为纤维素有3个键合碳的存在表明存在带有羧酸基团的残余细胞壁多糖[47,105],通过乙醇萃取可去除多糖杂供表面官能团(如羧酸盐或硫酸半酯，见6.4)的定性信息外，通过检测氮原子或C/O的比率变化，XPS还经常用于分析表面改性的纤维素纳米晶(见参考文献[20][47][48][92][110])。XPS也被用于单个纤维素纳米晶的形状和尺寸可通过成像方法评估，如SEM、TEM和AFM。这些方法被用来分散良好的颗粒获得的信息最为可靠。因此提供样品制备的细节至关重要，包括从干燥样品开始时的分散步骤。EM和AFM都经常检测到团聚/聚集的颗粒，这种团聚/聚集现象可能是由样品制备方法GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016EM使用聚焦电子束来观察样品并测量其形态和/或组成。在SEM中，基于收集厚样品表面的二次或背向散射电子形成图像。在TEM中，收集透射过薄样品的电子来形成图像，这导致了3D颗粒的2D投影，可确定颗粒的长度和宽度，但不能确定它们的高度。电子显微镜通常在高真空下表征干燥样度分辨率的透射电镜是获得纤维素纳米晶长度和宽度分布的首选方法。将纤维素纳米晶悬浮液稀释至质量与体积比约为0.01%制备用于TEM表征的样品。取少量(5μL～10μL)悬浮液置于EM栅网上，静置几分钟，然后吸除多余液体，用去离子水洗涤几使用带正电的微栅有利于带负电的纤维素纳米晶的固定化，但最常使用碳涂层铜网。亲水氧化硅涂层的栅网比方华模(聚乙烯醇缩甲醛)或碳膜涂层的栅网能更好地分散纤维素纳米晶，而且pH为3.5时最大限度减少聚集[12]。尽管TEM和低温TEM比为0.5%～2%)中进行染色，然后用水清洗，或者在栅网中加入少量的染色溶液，等待1min~负染色程序制备用于FE-SEM大多数纤维素纳米晶进行高分辨率成像等EM表征。使用已知尺寸的标准样品，如聚苯乙烯球、胶体金或校准光栅对电镜进行校准。宜使用经过认证的校准标准。使用具有周期性结构的标准物质校准TEM图放大倍数的方法见ISO29301¹7]。电镜宜按照制造商的建议仔细对焦，以获得准确的颗粒尺样品质量。具有大量单个颗粒和少数团聚体的样品是理想的，可能需要对样品制备条件进行一些优化测量样品的多个较小视场图(通常小于或等于1μm×1μm),对颗粒尺寸进行统计分析。放大倍漂移和样品损坏。记录足够数量的图，至少包含约1000个单独的纤维素纳米晶。图8给出了用乙酸铀染色所得的代表性样品TEM图，图中可看到单个和聚集的纤维素纳米晶。数据分析得出平均长度为76nm,平均宽度为5.0nm,标准偏差分别为32nm和1.7nm。GB/T43263—2023/ISO长度/nmb)350-300-250200-9.510宽度/nm图8由木浆生产的纤维素纳米晶的透射电子显微镜图a),分析约1500个纤维素纳米晶得到的长度分布直方图b)和宽度分布直方图c)通过连接到灵活悬臂上的锋利的针尖在样品表面进行AFM扫描工作。当悬臂扫描表面时，保持悬臂的恒定偏转或振荡幅度所需的运动，以用于构建三维图像。AFM同时提供横向尺寸和颗粒高度。尖展宽效应。颗粒高度不受针尖卷积效应的影响，可准确测量。用AFM测量的单个纤维素纳米晶的半径为10nm的锥体针尖，成像直径为5nm的圆柱形，测量的宽度约为15nm。该近似值计算见公b)GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016b)式(2)[118]。W=2[r(r+2R)] 式中：R——针尖曲率半径。对于长度大于100nm的棒状纤维素纳米晶，其针尖展宽效应相对于颗粒长度来说是很小的(小于10%,取决于颗粒的长度和高度、针尖尺寸和相对于纤维素纳米晶颗粒长轴的扫描方向)。校正针尖卷积效应需要测量针尖尺寸，可通过作为参考样品的10nm(平均直径)金纳米颗粒与纤维素纳米晶共沉面产生的。使用带正电的表面，如聚赖氨酸涂层云母，具有对带负电的纤维素纳米晶可重复固定的优备出带正电的均匀表面。将稀释的纤维素纳米晶水悬浮液(稀释倍数和用量随使用的表面而不同)于表面孵化数分钟，浸泡在水中以去除未附着的物质，并在氮气流或清洁环境中(如氮气吹扫过的箱子)干纤维素纳米晶形貌的成像要求AFM能进行纳米颗粒的测量。接触模式已广泛用于定性测量，采用间歇接触模式操作(通常称为敲击模式)可用来减少单个颗粒在针尖上的移动。宜采用曲率半径小于量颗粒的高度。通过测试这几个作用力来验证这一点是很重要的。AFM扫描仪宜通过测量标准校准栅格进行校准(x、y和z刻度);z阶高度宜与要测量的颗粒的高度相当。详细的指南见参考文献[122][123][124]。样品整体形貌与分布的评估。有些AFM配有光学显微镜，可用来帮助确定适合AFM扫描的样品区或更小的图像进行分析。对于具有典型512点/线扫描个颗粒的数量。3个样品中300个纤维素纳米晶的长度[见图9d]]和高度(见图9e)]的直方图，给出的2.0分析300个颗粒得到的长度的直方图d)和高度的直方图e)21高度/nm图9从木浆中提取的纤维素纳米晶的AFM图a)、b),一根纤维素纳米晶的截面c),分析300个颗粒得到的长度的直方图d)和高度的直方图e)(续)纤维素纳米晶的尺寸分布比某些合成纳米材料(如金纳米颗粒)更宽，通过测量大量的单个颗粒来构建粒度分布直方图。图像和粒度分析以及显微镜取样方法见ISO9276-6和ISO13322-1[27.128]。若使用显微镜测试样本中非常小的一部分时，为确保抽样具有统计学代表性，宜将原始样本分开，至少测量3个独立的部分[17,18]。确保代表性取样的附加指南见ISO14488[129]。从纳米材料的显微镜研究中获得的信息类型，以及宜考虑的技术问题见ISO14187[10B]。分析单个颗粒的尺寸所需时间经常远比数据采集所需时间长，这是通过显微镜获得基于大量颗粒的尺寸分布的一个重要限制。可使用开源软件来实现分析程序自动化，通过对图像进行阈值处理以确定分析的颗粒，同时排除团聚的颗粒来完成。这种方法要求图像背景均匀，且样品没有污染。与图像分析相关的另一个主要问题是经常出现团聚颗粒，这些颗粒可能存在于最初的悬浮液中，也可能在样品沉积在表面时形成。虽然最好将分析限制在单个(非重叠)的纤维素纳米晶，但排除大量团聚颗粒会增加所需图像的数量，并增加取样代表性不足的风险。在实际应用中，只有明确界定了单个颗粒边缘时，才能对相邻颗粒进行分析。但对“可分析”颗粒的选择，会将用户的观点引入到分析过程中。在分析纤维素纳米晶的高度或宽度时，宽度可能沿纳米晶体的长度方向变化(见图9b)和图9c]]。在分析单个颗粒时宜采用系统的方法(例如，根据宽度或高度报告最大横截面)。报告纤维素纳米晶尺寸数据的一种方法是绘制直方图，说明长度、宽度和/或高度的分布；通常提供平均值(数学平均值)和标准差(作为分布宽度的衡量标准),长径比由平均长度和宽度(或高度)计算得出。计算直方图数据的平均尺寸和尺寸分布标准偏差的程序总结见ASTME2578-07[130]。考虑到上述图像分析建议，提供有关分析的颗粒数量，以及处理团聚纤维素纳米晶程序的信息非常重要。木浆GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016CNC样品的TEM(n=1500)和AFM(n=300)数据的代表性直方图见图8和图9。对于大多数已测量TEM和AFM已经广泛用于测量各种纤维素来源纤维素纳米晶的长度和宽度/高度。通常基于对有限数量的图像/颗粒进行数据分析，并提供平均尺寸或尺寸范围。这些(定性)数据的总结见参考文献纤维素纳米晶的尺寸分析见表3和参考文献[2][8]。首先，纤维素纳米晶呈现出不同形态的纳米棒，其尺寸因纤维素原料和制备过程的不同而有很大差异。木浆纤维素纳米晶的平均截面为4nm~晶通常具有明显更大的宽度。细菌和被囊类动物制备的纤维素纳米晶要大得多，其平均宽度小于或等晶尺寸的影响见参考文献[21][22][23][24][26]。利用AFM测量约300个单独的针叶树材纸浆纤维素纳米晶[2]的长度和高度，作为水解时间和酸/浆比的函数。纤维素纳米晶的平均长度105nm~通过对单个图像进行定性观察及对分布标准差的量化分析发现的第二个规律是，纤维素纳米晶的表3。这与使用动态光散射的整体测量是一致的，是多分散粒度分布(见7.2)。宽分布意味着区分具有相似尺寸分布的纤维素纳米晶群体是很有挑战性的。与宽度/高度相比，长度的尺寸分布更宽(标准偏差通常大于或等于平均长度的40%,但是平均截面的比例较小，见表3)纤维素纳米晶固定化的带电表面或栅网来最大限度地减少(但绝不会消除)这种现象。通过仔细对比颗粒计数法与光散射等集合测量方法，有助于将样品沉积过程中形成的团聚体与样品本身存在的团聚体区分开。虽然最好只分析单独的纤维素纳米晶，但这将导致排除大量(和可变数量)的接触颗粒。这有倾斜。目前这一因素尚未得到解决。第四个观察结果是纤维素纳米晶颗粒形状不规则，从TEM图像中可明显看出。在TEM图像在高分辨率原子力显微镜图像中也很明显，这表明颗粒的高度沿颗粒长轴变化可达数纳米(图9,见参考文献[22][73][113][131][132])。这可能是由于在水解过程中，晶体之间的非晶态区域不完全水解与XRD测量结果一致，该测量结果估计平均颗粒长度约为20nm,是显微镜测量的木浆纤维素纳米晶的平均长度的1/5以下[2]。从XRD估计的宽度为3nm～5nm,与显微镜得到的宽度相似。GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016表3从各种纤维素原料和提取方法得到的纤维素纳米晶的尺寸单位为纳米纤维素原料生产方法方法的条件平均长度(标准偏差)平均截面(标准偏差)N⁴参考文献木浆(黑云杉)45℃,64%H₂SO₄,25min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接触5~320木浆(黑云杉)45℃,64%H₂SO₄,45min,A/P=8.75AFM,PLL-云母，接触4.9~325木浆(黑云杉)45℃,64%H₂SO4,25min,A/P=17.5AFM,PLL-云母，接触4.5~270木浆64%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM6.4(h)7.8(w)针叶木硫酸盐浆45℃,64%H₂SO₄,25min,2%一致性；不干燥AFM,钛合金涂层硅，63(53)4.4针叶木硫酸盐浆45℃,64%H₂SO₄,25min,2%一致性；110℃干燥AFM,钛合金涂层硅，53(31)4.3漂白针叶木硫酸盐浆45℃,64%H₂SO₄,60minFE-SEM,十栅网，UA约9nm(极限分辨率)针叶木硫酸盐浆70℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM5.0(1.6)针叶木硫酸盐浆70℃.65%H₂SO₄TEM,C-C栅网，UA76(32)5.0(1.7)木浆60minTEM,C-C栅网211(70)8.8(5.5)TEM,钛合金涂层硅5.2(1.6)TEM,C-C栅网，UA248(72)9.1(3.2)桉木硫酸盐浆56℃,58%H₂SO₄,40minTEM,C-C栅网，UA10,7(8.5)510,623木浆64%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM5.9(1.8)~400细菌纤维素60℃,37%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM1103(698)14.0(7.4)~430被囊动物48%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM1187(1066)9.4(5.0)棉短绒45℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM27(52)冷冻-TEMGB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016表3从各种纤维素原料和提取方法得到的纤维素纳米晶的尺寸(续)单位为纳米纤维素原料生产方法方法的条件平均长度(标准偏差)平均截面(标准偏差)Nd参考文献棉短绒72℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM21(52)微晶纤维素(木浆)72℃,65%H₂SO₄,AFM,PLL-云母，TM微晶纤维素(棉花)44℃,62%H₂SO₄,AFM,钛合金涂层硅，246(128)5.9(2.3)棉纤维55℃,65%H₂SO₄,AFM,钛合金涂层硅，—苎麻纤维55℃,65%H₂SO,FE-SEM,十栅网，UA6.5(0.7)剑麻纤维55℃.65%H₂SO₄AFM,PLL-云母，TM5.0(1.5)剑麻纤维50℃.65%H,SO₄40minTEM,C-C栅网，UA215(67)5.0(1.5)425.2015木浆过硫酸铵TEM,C-C栅网，UA6.0(1.7)200,253木浆过硫酸铵AFM,PLL-云母，TM6.9(3)A/P是酸浆比。PLL-云母是聚赖氨酸涂层云母；TM=轻敲模式；UA=醋酸双氧铀染色；C-C栅网，碳膜铜网。除非另有说明，否则AFM测量高度、EM测量宽度。只列出参考文献中有的标准偏差。d参考文献中根据直方图估计的N值表示为“～”。去卷积后使用金纳米球测量针尖尺寸。自动化分析。AFM测量的高度为7.3nm。表3中数据量最大的是木浆纤维素纳米晶，在大多数情况下，来自不同实验室的数据基本一致。除有类似的尺寸。按照标准的数据采集和分析协议，不同实验室用不同的方法制备和测量的纤维素纳米GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016晶结果一致。使用AFM、FE-SEM和TEM对从微晶纤维素中分离出来的纤维素纳米晶进行表征，三种方法定性分析一致，但没有进行定量分析[113]。使用EM和AFM对不同实验室制备的样品进行表征，两种方法都给出了5nm的平均宽度，但平均长度却相差30nm[⁹4。AFM和TEM可提供互补的信息，因为TEM提供颗粒宽度，而AFM提供颗粒高度。由于针尖变宽的影响，最好只使用AFM获得高度测量，而使用EM来测量纤维素纳米晶的宽度和长度。然而，在大多数情况，EM测量纤维素纳米晶时，用于增强对比度的样品染色可能会增加颗粒的团聚[22.12]。显微镜技术的选择通常取决于成本和可用性。AFM可很容易地与力学结合来获得机械性能，或与光学(荧光、拉曼)显微镜相结合，集成于一个显微镜平台对同一样品区域进行相关测量。尽管这些材料不在本文件范围之内，但这些方法对于化学改性纤维素纳米晶和含有纤维素纳米晶的复合材料表征很有价值。7.2动态光散射测量粒度动态光散射(DLS)测量的是悬浮在液体中进行布朗运动的颗粒的散射光强度随时间变化的波动。这些强度波动与颗粒在溶剂中的扩散速度直接相关，可用来确定平动扩散系数，该系数与颗粒大小成正比，进而确定颗粒的流体力学直径。对于非球形颗粒，可得到等效的流体力学直径，等效于一个刚性球体的直径，其扩散速度与分析物颗粒相同。DLS是一种集合方法(与显微镜中使用的颗粒计数方法相比，7.1),同时分析大量颗粒来计算粒度。与EM或AFM相比，它是一种更简单、更经济和使用更广泛的方法，易用于质量控制和常规测量。然而，通过DLS估计的溶解颗粒的重均等效流体力学直径dn,几乎总是与用显微镜方法测量的直径不同。对于球形颗粒来说，这些差异主要是由于双电层造成的，而对于其他形状的颗粒，如纳米棒，则情况更加复杂。用DLS测量纳米颗粒的粒度分布是很成熟的，测量方法和数据分析见标准和协议中的描述[134-136]对于纤维素纳米晶，典型做法是将样品用5mmol/L～10mmol/L的NaCl溶液稀释到0.05%的质量分数。使用较低的NaCl浓度可防止胶凝或团聚现象。重要的是要避免样品、试管或NaCl溶液的污染(例如灰尘颗粒),因为较大颗粒的散射强度大得多；检测前，宜过滤悬浮液以去除这些颗粒。散射强度与r⁶成正比(r是散射颗粒的半径),这意味着100nm颗粒的散射强度将比10nm颗粒的散射强度大一百万倍。通常情况下，对每个样品宜至少进行3次测量(每个测量值都是几个读数的平均值，具体数值通常由仪器数据采集软件自动选择),并宜测量一个等效的空白样品(不含纤维素纳米晶),以检查背景散射。将原始数据(光散射强度波动)绘制成一个相关函数，从中得到平动扩散系数D。也可使用累积量分析方法，将数据拟合为多项式，以获得D,[134]。然后用斯托克斯-爱因斯坦(StokesEinstein),即公式(3)计算平均流体动力直径db:k——玻尔兹曼常数；T—-—热力学温度，单位为开尔文(K);y——介质的黏度。该计算扩散系数的方法需要精确的温度值(通常由仪器软件提供)、悬浮颗粒的液体(如5mmol/LNaCl溶液)的黏度和折射率。相关函数的拟合还提供了多分散性指数PI,这是粒度分布宽度的无量纲测量值[134]。对于单一高斯分布，PI由公式(4)定义：PI=g²/d?…………(4)σ——标准偏差；d平均粒径(用等效流体力学直径表示)。强度/%体积/%GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016强度/%体积/%DLS提供的重均分布与颗粒计数方法得到的数均分布不同。纤维素纳米晶至少在一个维度(长度)上具有相当大的多分散性，使得这种方法的颗粒的散射光的贡献可能是总强度的一个非常小的部分，较大的颗粒可能会进一步屏蔽来自较小颗粒的散射光。故较小的颗粒难以准确定量，从而影响了DLS测量粒径分布的准确性。利用Mie散射理论和颗粒的折射率，可将重均分布转化为体均分布。体均分布的优点是更清楚地显示散射强度低的小颗粒产生的信号，表观直径可移动至较低范围，如图10的重均和体均分布图所示。这种转换具有实际困等效流体力学直径/nm等效流体力学直径/nm图10在5mmol/LNaCI中纤维素纳米晶的动态光散射数据图，强度(左)和体积(右)从DLS中获取粒度信息的标准Cumulants方法对单分散样品(PI<0.1)效果很好。虽然对多分散样品采用了几种拟合相关曲线的算法来获取多组分分布(见参考文献[135]),但目前还没有普遍接受的分析多分散样品的方法。对于球形乳胶颗粒，获取颗粒尺寸的双模或多模分布的方法和限制见参考文图10给出了木浆纤维素纳米晶的代表性DLS数据，其中dn=78.5nm,PI为0.21。测得的代表了也被用来验证干燥纤维素纳米晶的再分散程序[28],并评估化学稳定性影响[96]。将DLS与显微镜尺寸测量结果进行比较，可观察到dn和长度变化类似的已经探索了几种方法来处理从光散射数据中获得棒状纤维素纳米晶粒度分布的问题，特别是颗粒长度和轴比。利用偏振和去偏振的动态光散射可获得棉花纤维素纳米晶的转动和平动扩散系数[141]。Broersma公式将平移和转动扩散系数与棒长度以及棒长度与宽度比率联系起来，计算平均纤维素纳米这种方法中，结合使用散射光强度的角度依赖性与棒的理论形状系数，以获得纤维素纳米晶长度分布(或平均尺寸和多分散指数)。详细的解释长径比、形状和多分散性影响的方法见文献[14]。假设颗粒是圆柱形棒，利用DLS测量得到的平动扩散系数和通过显微镜测量的平均纤维素纳米晶截面可获得平GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016素纳米晶的形状进行假设。而根据显微镜分析的数据，纤维素纳米晶的长度和宽度分别沿长轴和短轴最后，将电子显微镜得出的纤维素纳米晶尺寸估计值与光散射和纳米颗粒跟踪仪得到的估计值进米晶长径比，与EM数据吻合良好。将DLS和EM的数据与纳米颗粒跟踪分析仪的数据进行比较，这均尺寸分布。从DLS估计的体均纤维素纳米晶半径为22nm,而从颗粒追踪仪得到的数均半径为37nm;表观尺寸的差异是由于样品的多分散性和两种方法的内在差异造成的。颗粒跟踪仪用于研究纤维素纳米晶的潜在优势是提供可与显微镜数据进行比较的数均尺寸分布，并可能更好地解决宽尺度分布问题。8纤维素纳米晶表面特性无论是干的或悬浮分散颗粒的比表面积，都是表征纳米材料的一个重要参数。对于纤维素纳米晶，比表面积提供了有关材料分散性及可用于改性以引入功能(例如催化应用或加入到复合材料中)的可用比表面积的信息。通常通过测量物理吸附的气体量来确定固体的比表面积，根据BET来解释气体吸附等温线。测定分散的或多孔固体总的外部及内部比表面积的详细信息见参考文献[147];在测量气体(通常是氮气)的吸附之前，将干燥样品在升温至100℃以上进行脱气。尽管BET已应用于一些纳米材料，但与颗粒团聚和/或聚集相关的复杂性问题不容忽视148.149。纤维素纳米晶在干燥时通常会形成相对较大的紧密能会导致纤维素的进一步聚集或降解。因此，干燥的团聚或聚集纤维素纳米晶测得的比表面积约的纤维素纳米晶的比表面积为419m²/g,见参考文献[150])。这说明，用BET测量干燥、分散的纤维测量纤维素纳米晶悬浮液的比表面积可能比测量干燥材料的比表面积更有意义，因为它为溶液中的反应或为复合材料中的配方提供了可接近的表面。基于刚果红染料吸附的溶液方法已用于测量细菌和微纤丝化纤维素的比表面积[15],并用于纤维素纳米晶的比表面积测定。测得的硫酸水解制备的木浆和细菌纤维素纳米晶的数值分别为249m²/g和272m²/g,所得数值在典型纤维素纳米晶的预期范¹³C的CP-MAS核磁共振来测量水合纤维素材料的无序C₄的不可接触和可接触信号的比率[见经干燥的溶解浆料，这种核磁共振方法提供的比表面积比用溶剂交换法制备的干燥样品用BET法确定似的CP-MAS核磁共振方法也已用来研究干燥方法在控制纤维素纤维的横向聚集方面的作用，从而控制可用于功能化的表面积[154]。将此方法用于评估从未干燥或重新分散的纤维素纳米晶的比表面积，其数值126]与使用显微镜计算出的纤维素纳米晶平均尺寸及用BET法测量的纤维素纳米晶气凝胶内部比面积范围基本一致(216m²/g～605面吸附液体的弛豫时间短得多的特点。该方法测得的溶液弛豫时间是表面和体相溶剂弛豫时间的加权平均值，由表面和体相液体的相对量加权计算。虽然核磁共振弛豫时间已用于检测纤维素与各种植物GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016壁组分的相互作用，并提供细胞壁孔隙体积与比表面积的信息[65],但该方法尚未应用于纤维素纳米晶比表面积测量。核磁共振弛豫时间可在常规液体核磁共振或台式仪器上进行测量，是一种潜在的易于使用和方便的方法。目前这两种核磁共振法都没有得到广泛应用，无法评估它是否会成为测量纤维素纳米晶或其他纤维素纳米材料比表面积的普适方法。通过Zeta电位测量来估计纤维素纳米晶表面电荷。Zeta电位定义为体相液体的电势与附着在分散颗粒表面上静止流体层之间的电势差(即滑动面，该滑动面是液体在剪切应力的影响下开始相对于表或两个带电颗粒或一个带电颗粒与表面之间的静电程度的指标。通过在样品池的两个电极上施加一个虽然颗粒迁移率最初是通过可视显微镜探测单个颗粒的运动来测量的，但现在更常用的是电泳光散射勒频移来确定的。电泳迁移率的理论背景和方法描述见文献[1561577。测量生物材料和纳米颗粒的UEZeta电位测量的一个关键考虑因素是，计算值是颗粒及其周围溶液的函数。测量Ue的方法假定离子。因此，除非提供所有相关参数，否则单独的Zeta电位的测量值没有什么价值。UE可用公式(5)层厚度的比率有关，在1.0～1.5变化。对于水相悬浮液中的大颗粒，通常假定值为1.5(SmoluchowskiUE=[e×Zetapotental×f(kα)]/6πη…………(5)从Ue计算的纤维素纳米晶的Zeta电位经常用来评估胶体稳定性及确定纳米晶体上的电荷，这两也可转换为等效电荷密度。通常使用去离子水(在某些情况下还会添加NaCl)稀释的纤维素纳米晶悬浮液(0.05%～1.0%)进行Zeta电位测量。样品的制备与DLS相似(见7.2),需要注意的是要过滤样纳米晶钠盐在大致中性pH和不加盐的情况下的数据。这些数据与带电颗粒的稳定悬浮液的数据是一致的。作为一般准则，带负电颗粒的悬浮液，其Zeta电位为-30mV～-40mV,是中等稳定的，而-60mV~-80mV的值表示非常好的稳定性[158]。钠离子对硫酸化针叶树材木浆纤维素纳米晶测量值有显著影响，其Zeta电位从去离子水中的-62.8mV下降到10mmol/LNaCl存在时的约-20mV[132]。棉花纤维素纳米晶的Zeta电位随其硫含量而变化，硫含量高的纤维素纳米晶测得的值更负。与上述其他植物制备的纤维素纳米晶相比，棉花纤维素纳米晶的数值更低(-2mV~-30mV)[161,162],因为条件经常存在差异，比较不同研究的结果可能存在问题，计算Zeta电位的近似方法也可能存在差异。9其他特性的表征9.1热稳定性性或氧化气氛中以可控的速度加热时测量样品质量变化的方法。这种方法可在动态模式下使用，即在可控的加热条件下将质量变化作为温度的函数来测量，或者在等温模式下将特定温度下的质量变化作纤维素纳米晶的典型TGA实验对5mg～20mg的干样品，使用流动的氮气或空气，以2℃/min~10℃/min的加热速率，从室温加热到500℃以上。20a)热重图b)微分热重图的温度、质量最大变化的温度以及在特定温度下剩余碳的百分比。热重曲线的形状和质量损失的起点解制备的细菌纤维素进行测量(图11)[95],下降，随后在250℃~325℃发生了突变，这归因于纤维终形成了碳残留物。残留物的进一步分解发生在约425℃以上，主要是发生了氧化并生成低分子量气体产物。随着纤维素纳米晶硫酸半酯含量的增加，质量损失发生在较低的温度和较宽的温度范围内。GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016其他挥发性化合物的损失)通常在190℃~220℃,明显低于未水解的纤维素样品。羧基化的纤维素纳产生的磷酸化和不带电的纤维素纳米晶也显示出较高的热稳定性(磷酸化和羟基化的纤维素纳米晶在305℃和290℃以下的质量损失小于5%),并且显示出峰形完好单一的分解峰及低碳含量。相比之表面磷酸盐含量约为4mmol/g,而硫酸水解纤维素纳米晶约为100mmol/g,所以磷酸化纤维素纳米晶于评估纤维素纳米晶纳米复合材料的热性能变化，通常使用的温度较用于测量纤维素纳米晶热解的温度低。当将纤维素纳米晶加入纳米复合材料时，热膨胀系数是需要考虑的一个重要特性。虽然可对纤维素纳米晶薄膜或复合材料进行实验测量，但很难对单个纤维素纳米晶进行测量。使用低温X射线衍射(XRD)测量的d-间距的实验测量表明，纤维素纳米晶的热膨胀系数很低(在5×10-⁶/K～50×10-6/K纤维素纳米晶悬浮液的黏度取决于纳米晶体的尺寸和表面性质。与DLS类似，黏度仪为纤维素纳米晶的商业生产提供了快速的常规分析方法。通常使用毛细管黏度计或滚动球黏度计来测量特性黏积表示)的曲线图外推得到的。对于木浆纤维素纳米晶，两项研究分别报道了270mL/g和213mL/g囊型动物纤维素纳米晶(1.03dL/g,见参考文献[177]),获得的值显著不同，通过添加NaCl增加悬浮液的离子强度也会影响特性黏度。在分析前完全溶解样品，特性黏度也用来评估纤维素纳米材料的聚浮液和薄膜具有独特的光学性能。对于高浓度的含各向异性相的纤维素纳米晶，或加入纤维素纳米晶[动态黏度，单位为帕秒(Pa·s)],黏度很大程度上取决于时间、剪切速率和纤维素纳米晶反光学和力学性能是纤维素纳米晶薄膜和纤维素纳米晶纳米复合材料应用的重要参数，但这不在本文件的范围内，本文件主要关注未改性纤维素纳米晶性能。纤维素纳米晶的表征是实现各种纤维素纳米材对于纤维素纳米晶组成，有些方法是成熟的(如元素分析),或者可通过将现有的纸浆和纸张标准(如纤维素生物质污染物、聚合度)稍作修改就可适用。对硫酸水解法制备的纤维素纳米晶的表面硫酸GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016生的其他表面官能团进行了定量研究工作，然而精确定量和重复性仍有待更多的研究。结晶度的测量值因仪器和分析方法不同而有很大差异，在推荐标准方法之前还需要进行额外的研究和比较。已经使料已经确定(并正在解决)的相同挑战，或可通过实验室间比对来制定和验证标准协议。将颗粒计数的的常规测量方法，并且避免了使用显微镜进行取样时遇到的问题。但处理宽粒度分布和非球形颗粒时尽管在不久的将来可能会对初级颗粒的尺寸分布进行标准化，但用宽范围的长度尺寸分布评估胶体悬浮液(制备或干燥纤维素纳米晶再分散)团聚的方法尚不完善。使用Zeta电位估算表面电荷结果的可GB/T43263—2023/ISO/TR19716:2016[1]PostekM.T.,MoonR.J.,RudieA.W.,BilodeauM.A.eds.Productionandapplicationsofcel-lulosenanomaterials.TAPPIPress,Atlanta,GA,2013[2]MoonR.J.,MartiniA.,NairnJ.,SimonsenJ.,YoungbloodJ.Cellulosenanomaterialsreview:structure,propertiesandnanocomposites.Chem.Soc.Rev.2011,40.3941-3994[3]DufresneA.Nanocellulose:anewagelessbionanomaterial.Mater.Today.2013,16.220-227[4]ShatkinJ.A.,WegnerT.H.,BilekE.M.,CowieJ.Marketprojectionsofcellulosenanomateri-alenabledproducts—Part1:Applications.TappiJ.2014,13.9-16[5]FutureMarketsInc.Theglobalmarketfornanocelluloseto2020;Technologyreportno.60,2ndedition.Rockville,MD.(2013).[6]ISO/TS20477Nanotechnologies—Vocabularyforcellulosenanomaterial[7]EichhornS.Cellulosenanowhiskers:Promisingmaterialsforadvancedapplications.SoftMatter.2011,7.303-315[8]