二甲基亚砜中纤维素纳米晶的流变学特性及其在生物材料中的应用研究

这篇研究深入探讨了纤维素纳米晶（CNCs）在二甲基亚砜（DMSO）中的分散行为及其流变学特性，揭示了浓度对粘度、粘弹性、触变性和屈服应力的多阶段幂律关系，为有机溶剂中CNCs的物理状态和纳米复合材料开发提供了理论依据。

　　

Highlight

纤维素纳米晶（CNCs）因其可调的纵横比、低密度、优异的机械性能和独特的光学特性而备受关注。它们通常通过浓硫酸水解纤维素原料获得，表面带有硫酸半酯基团，使其能够分散在极性溶剂（如水、DMSO和DMF）中，形成具有溶致液晶特性的稳定胶体悬浮液。这些特性使CNCs在能源、医药、环保、食品和化妆品等领域具有广泛应用价值。

Materials

CNC粉末（CelluForce NCC? NCV100-NASD90）由Celluforce Inc.提供，通过64 wt%硫酸水解漂白牛皮浆制得。水解后的CNCs经过稀释、分离、中和至钠形式并喷雾干燥。CNCs的硫含量为0.89 wt%，相当于每100个无水葡萄糖单元含有4.62个SO₃^?。DMSO（无水>99.9%）购自上海绍元试剂有限公司。

Physicochemical properties of the CNCs

通过FE-SEM和AFM观察CNCs的微观形貌（图1a-b）。FE-SEM测得CNCs的平均长度为157±22 nm，宽度为16±4 nm（图1c，图S1a）；AFM测得高度为6±2 nm（图S1b）。CNCs呈棒状形态，FT-IR光谱（图1d）显示3345、2890、1627、1428、1056和821 cm^?1处的峰，分别归属于O-H伸缩、C-H伸缩、H₂O吸附、CH₂弯曲、C-O-C伸缩和硫酸酯基团的振动。

Conclusions

本研究探讨了CNC/DMSO悬浮液的物理状态和流变学特性，重点关注幂律关系与浓度的相关性。4000 J/g的超声能量确保了CNC颗粒在DMSO中的均匀分散。随着浓度增加，CNC/DMSO悬浮液从各向同性转变为各向异性结构，在6.0 wt%时达到浓缩状态。通过流变学确定的CNC悬浮液的液-固转变点接近凝胶拥挤因子14。悬浮液表现为触变性屈服应力流体，触变性和屈服应力均与浓度呈幂律关系。幂律指数在6.0 wt%浓度时发生变化。对CNC悬浮液屈服应力的多种视角进行了探讨，代数应力分岔为屈服过程提供了更清晰的表征。