一种氨基纤维素纳米纤维及其制备方法与用途

技术领域

本发明涉及高分子材料及其制备方法和用途，特别涉及氨基纤维素纳米纤维的制备方法、性能和用途。

背景技术

近年来，纳米纤维素因其结晶度高、比表面积大、流变性好、可降解性好、生物相容性好、易衍生化、低毒等特点，被广泛应用于生物医学、生物可降解塑料和食品工程领域。然而，由于纳米纤维素缺乏抗菌性能，是限制其广泛应用的主要难点之一。受纳米甲壳素和胺类化合物的抗菌机理启发，含有氨基基团的纳米纤维素的制备并构建其抗菌材料对拓展纤维素应用领域是十分必要的。

目前，含有氨基基团的纳米纤维素的制备主要采用对纳米纤维素的直接改性为主，即先纳米化，后氨基化。这种方法存在改性效率低，改性步骤烦琐的缺陷。若采用先氨基化，后纳米化的策略，则需要首先制备氨基化纤维素。目前氨基化纤维素的制备主要以化学交联、环氧接枝、季铵盐接枝和低共熔溶剂体系下的接枝改性。例如研究人员以环氧氯丙烷来构建反应活性中间体，通过活泼氯原子和纤维素表面上的羟基发生亲核取代反应赋予纤维素表面环氧结构，随后通过聚乙烯亚胺胺化开环接枝反应制备氨基化的纤维素。所述氨基化纤维素可以作为吸附剂去除/回收水溶液硝酸盐。Wang等采用羧基化纤维素纤维为原料，对纤维素表面上残留的羟基基团进行季铵盐(2，3-环氧丙基三甲基氯化铵)改性，通过高压均质化在中性条件下获得两性离子纳米纤维素。Hong等采用由甜菜碱盐酸盐和甘油组成的DES体系预处纤维素，利用微射流技术制备纤维素纳米纤维。DES体系不但能使纤维结构膨胀，减弱氢键网络的相互作用。然而，甜菜碱盐酸盐虽然能与纤维素表面的羟基反应生成阳离子纳米纤维素，但取代度很小，使得纤维素的阳离子电荷密度很低。综上所述，由于非均相纤维素氨基化改性效率低，同时由于小分子氨基化试剂的引入对纤维素表面电荷密度影响较弱，因此目前还未见采用先氨基化改性策略成功实现纤维素纳米化的报道。

本发明创新地采用先氨基化后纳米化的策略实现了氨基化纳米纤维素的高效制备。主要通过1)在纤维素上引入羧基；2)协同分步骤活化改性来改变传统的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺一锅交联法，采用分步活化法将纤维素表面羧基转化为纤维素O-酰基脲反应活性中间酯，离心除掉未参与反应的碳二亚胺后再添加N-羟基琥珀酰亚胺反应生成可以高效胺化反应的纤维素中间酯，进而提高纤维素氨基化改性效率；3)利用大分子的富含高密度氨基的聚赖氨酸作为氨基化试剂；一方面提高了纤维素表面氨基化改性效率，一方面提高氨基化纤维素表面的氨基含量，进而实现氨基化纳米纤维素的高效制备。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明通过反应过程的创新和优化，提出一种氨基纤维素纳米纤维的制备方法、氨基纤维素纳米纤维及应用，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题

具体发明原理如下：分步骤活化改性提高氨基化改性效率的机理为：1-(3-二甲基-氨基丙基)-3-乙基盐酸碳二亚胺是具有水溶性、无细胞毒性和生物相容性优点的碳二亚胺；它可以安全高效地与氨基作为偶联剂交联，N-羟基琥珀酰亚胺作为稳定剂协同提高交联效率。传统的做法是使用N-羟基琥珀酰亚胺将反应物表面羧基和1-(3-二甲基-氨基丙基)-3-乙基盐酸碳二亚胺反应生成的O-酰基异脲中间体转化为更稳定和活性更强的纤维素反应活性中间酯。然而，由于O-酰基异脲也可能发生转化和重排为其他副产物，如酸酐、水解尿素和羧酸等。并且对羧基的活化往往需要过度的反应，这可能会导致副反应的发生，如羧基之间的自交联，以及体系中过量1-(3-二甲基-氨基丙基)-3-乙基盐酸碳二亚胺的存在导致的反应效率低下，也可能会降低O-酰基异脲向纤维素反应活性中间酯的进一步转化。鉴于此，本发明创新性地采用“分步活化”将羧基化纤维素表面的羧基转化为纤维素反应活性中间酯，以减少或避免可能发生的副产物和副反应，提高反应效率。ε-聚赖氨酸由25～35个赖氨酸残基组成，表面含有丰富的氨基，是一种水溶性高、低毒的、抗细菌、酵母和霉菌抗菌药物。同时ε-聚赖氨酸具有阳离子特性、可食用性、水溶性、可生物降解性，且无毒性，可用于给药、吸水水凝胶、生物粘合剂、蛋白质固定化、抗原/抗体固定化和伤口敷料。因此，从结构和功能上看，ε-聚赖氨酸无疑是作为富含高密度氨基的氨基化试剂来制备氨基纤维素的良好原料。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种绿色、高效的制备氨基修饰的纳米纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将纤维素进行化学前处理得到羧基化纤维素原料；

(2)在弱酸条件下，向羧基化纤维素中分步添加1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺“分步活化”改性生成具有反应活性的纤维素中间酯；

(3)纤维素中间酯和ε-聚赖氨酸在弱碱条件下发生酰胺化反应，得到氨基改性纤维素材料；

(4)氨基改性纤维素在酸性条件下经机械处理和分离纯化得到氨基纤维素纳米纤维。

进一步的，所述步骤(1)中化学前处理方法为TEMPO氧化法、草酸氧化法、高锰酸钾氧化法和多元酸DES体系预处理中的至少一种。优选地，采用TEMPO氧化法，其可以为TEMPO化学氧化和TEMPO酶法氧化；

进一步的，步骤(1)中，氧化纤维素中的羧基含量为1.0-1.8mmol/g。

进一步的，步骤(2)中，羧基化纤维素先和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺反应0.5-6h生纤维素O-酰基脲中间酯，后经分离后除去未反应的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，再添加N-羟基琥珀酰亚胺反应1-6h高效生成具有反应活性的纤维素中间酯。

进一步的，步骤(2)中弱酸性条件的pH为4-6；所述步骤(3)中弱碱性条件的pH为7.5-10。

进一步的，步骤(2)所述的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的添加量为相对于纤维素羧基含量摩尔配比的10-20倍。

进一步的，步骤(3)中，ε-聚赖氨酸的分子量为2000-5000Da，ε-聚赖氨酸的浓度为3mg/ml～12mg/ml。

进一步的，步骤(4)中制备的氨基纤维素纳米纤维的得率为50-80％；氨基含量为0.7-1.2mmol/g。

根据本发明的另一个方面，提供了一种氨基纤维素纳米纤维，氨基纤维素纳米纤维长度为100-3000nm，直径为3-100nm。

进一步的，氨基纤维素纳米纤维的表面同时含有羧基和氨基，等电点为pH 9-10，具有两性分散性能，在酸性介质和碱性介质中均具有稳定分散性能。

根据本发明的又一个方面，提供了一种氨基纤维素纳米纤维分散液的制备方法，包括以下步骤：将氨基纤维素纳米纤维分散于分散介质中而形成，所述分散介质为水、乙醇、二甲亚砜、DMF、DMAc中的至少一种，所述分散液的质量浓度为0.01-10％。

根据本发明的又一个方面，提供了氨基纤维素纳米纤维或氨基纤维素纳米纤维分散液的制备方法在纺织，制药，食品和日用化工产品中的应用。

有益效果：

本发明与现有技术相比，本方法具有效率高、反应条件温和、反应过程简单以及无副产物等优点，具体亮点如下：

(1)改变了传统的直接在纳米纤维素上修饰氨基的方法，采用先修饰后纳米化的方法，简化了氨基化纳米纤维素的制备过程，氨基化纳米纤维素的氨基含量高达1.2mmol/g，氨基化纳米纤维素的制备得率高达80％。

(2)本发明制备的氨基化纳米纤维素的尺寸均一，同时含有羧基和氨基，pH分散范围宽，在酸性和碱性介质中都可以高效分散，分散稳定性好。

(3)本发明制备的氨基纤维素纳米纤维具有优异的机械性能，荧光特性和抗菌能力和乳化特性，为纤维素材料的增值利用提供便利。

附图表说明

图1为氨基纤维素纳米纤维在分散液不同pH下分散液照片和zeta电位；

图2为氨基纤维素纳米纤维分散液在不同pH下透射电子显微镜图；

图3为氨基纤维素纳米纤维材料的红外光谱图；

图4为氨基纤维素纳米纤维分散液、薄膜和海绵材料的荧光图片；

图5为氨基纤维素纳米纤维膜应力应变曲线和杨氏模量图；

图6为氨基纤维素纳米纤维的抗菌能力表征。

图7为氨基纤维素纳米纤维的乳化能力表征。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

根据本发明的实施例，提供了一种氨基纤维素纳米纤维的制备方法及应用。现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，根据本发明实施例的氨基纤维素纳米纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将纤维素进行化学前处理得到羧基化纤维素原料；

其中，纤维素原料的来源选自动物，植物、微生物来源纤维素或细菌纤维素。

在一个实施例中，TEMPO氧化制备羧基修饰的纤维素的实验过程，包括了TEMPO化学氧化和TEMPO酶法氧化，所选的酶处理为漆酶处理。所采用的化学法采用TEMPO/NaClO/NaBr氧化法，其中氧化试剂NaClO的用量可以为4mmol/g、5mmol/g、6mmol/g、7mmol/g、8mmol/g和10mmol/g。

草酸氧化法制备羧基化纤维素，酸溶液的浓度为20％～60％(w/w)，可以为20％、30％、40％、50％、60％(w/w)，处理温度为室温至100℃，可以为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃。处理时间为1～120h。

甲酸氧化法制备羧基化纤维素，酸溶液的浓度为80％～98％(w/w)，可以为80％、85％、90％、95％或98％(w/w)，处理温度为室温至100℃，可以为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃。处理时间为1～120h。

高锰酸钾氧化法制备羧基化纤维素，高锰酸钾添加量相对于纤维素的质量比为1～2∶1，可以为1∶1、1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1、1.5∶1、1.6∶1、1.7∶1、1.8∶1、1.9∶1或2∶1，处理温度为室温至100℃，可以为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃。处理时间为1～120h。

此外，多元酸DES体系预处理纤维素制备羧基化纤维素，低共溶溶剂包括如草酸/氯化胆碱，柠檬酸/氯化胆碱中的至少一种。处理温度为室温至120℃，可以为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、或120℃。处理时间为1～120h。

所制备的羧基化纤维素的羧基含量可以为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7或1.8mmol/g。

如图3展示了本发明制备的羧基含量为1.3的羧基化纤维素的红外谱图：在1600cm-1处的峰值被归因于羧基化纤维素上-COONa的拉伸振动，表明羧基被引入纤维素中。

S2、在弱酸条件下，向羧基化纤维素中依次添加1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺“分步活化”改性生成具有反应活性的纤维素中间酯；

在一个实施例中，在pH为4-6的弱酸性条件下，优选的pH为：4、4.5、5、5.5和6，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的添加量相对于纤维素羧基含量摩尔配比为10-20倍，优选为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20；首先添加1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和纤维素的反应时长为0.5-6h，优选为0.5h、1h、2h、3h、4h、5h和6h；然后加入N-羟基琥珀酰亚胺进一步和所述的产物反应，反应时间为1-6h，优选为1h、2h、3h、4h、5h和6h。

S3、纤维素中间酯和ε-聚赖氨酸在弱碱条件下发生酰胺化反应，得到氨基改性纤维素材料。

在一个实施例中，弱碱性的pH可以为7.5-10，优选为：7.5、7.8、8、8.5、9或10。聚赖氨酸的分子量为2000-5000Da。ε-聚赖氨酸的浓度为3～12mg/ml。优选为：3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、7mg/mL、8mg/mL、9mg/mL、10mg/mL、11mg/mL和12mg/mL。氨基修饰的纤维素的氨基含量为：0.7-1.2mmol/g，

S4、氨基改性纤维素在酸性条件下经机械处理和分离纯化得到氨基纤维素纳米纤维。

在一个实施例中，酸性条件pH为3-5，优选为pH为3、3.5、4、4.5或5。机械处理选自匀浆处理、超声处理、胶体磨处理、高速搅拌、高压均质处理、超微粉碎和微射流中的至少一种。优选为超声处理，超声时间为10s～1h，优选为30s～5min，可以为10s、30s、1min、5min、10min、30min、1h。氨基纤维素纳米纤维的得率为50-80％。

图1展示了氨基纤维素纳米纤维在不同pH下分散液图像和zeta电位。氨基纤维素纳米纤维在酸性、中性和碱性条件下均能稳定分散，在pH＝9附近时明显絮凝，随后在pH＝11时又稳定分散，表明其等电点在pH 9左右。进一步的，随着pH的增加，不同pH下的zeta电位值逐渐减小，在pH＝9～10时出现了由正电荷向负电荷的突破。这再次证明氨基纤维素纳米纤维的等电点在9～10左右，与ε-聚赖氨酸的等电点接近。

图2为ε-聚赖氨酸的反应浓度为9mg/mL时制备的氨基纤维素纳米纤维在不同pH值(3，9，11)下透射电子显微镜图。氨基纳米纤维素纤维分散液中，纳米纤维的质量浓度为0.01％～10％(w/w)，纳米纤维的质量浓度可以为0.01、0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.5％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％、3％、5％、6％、8％、9％或10％(w/w)。纳米纤维的尺寸范围是：长度为100nm-3000nm，宽度为3～100nm，长度可以为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm或3000nm，宽度可以为3nm、5nm、8nm、10nm、20nm、40nm、50nm、60nm、80nm、90nm或100nm。

在pH值为3和11时，由于质子化氨基和游离羧酸阴离子之间的静电排斥作用，纤维呈均匀的单纤维，进一步表明氨基纤维素纳米纤维可稳定分散于酸性或碱性分散介质中。当pH值为9时，由于表面电荷较弱，纤维完全絮凝，静电斥力消失。

此外，所述氨基化纳米纤维素纤维还可以分散到乙醇、二甲亚砜、DMF或DMAc中形成稳定分散的纳米分散液。

图3为纤维素羧基含量为1.3mmol/g，ε-聚赖氨酸的反应浓度为3、6和9mg/mL时制备的氨基纤维素纳米纤维制备的氨基纤维素纳米纤维红外光谱图。在1600cm

图4为氨基纤维素纳米纤维纳米分散液、薄膜和海绵的荧光图片，可以看出未改性的纳米纤维素荧光性能很弱，而经过氨基化改性后，本发明中制备的氨基纳米纤维素具备优异的聚集诱导发光特性的荧光性能。

图5为氨基纤维素纳米纤维膜(ε-9PL-nTOCN)应力应变曲线和杨氏模量图，将TEMPO介导的氧化法制备的纳米纤维素(TOCN)作为对照。从薄膜的应力应变曲线可以看出，氨基纤维素纳米纤维膜的应力应变值都得到了增强。0.5％应变率下测得的杨氏模量也逐渐增大，且与抗拉强度的增加趋势一致，且根据表格的数据显示，约为TOCN薄膜的2倍。

图6为氨基纤维素纳米纤维(ε-9PL-nTOCN)的抗菌能力表征。根据平板计数直方图，由氨基纤维素纳米纤维与对照组菌落形成相比，抑菌能力可达99％以上。说明氨基化改性后，可赋予纳米纤维素优异的抗菌性能。

图7为制备的氨基纤维素纳米纤维(ε-9PL-1.6TOCN)在不同油相比(66％、74％和82％)下乳化的高内相乳液的照片和显微镜图示。从ε-9PL-1.6TOCN在不同油相比(66％、74％和82％)下乳化的高内相乳液的照片和含82％油相的高内相乳液在存储1、7和30天后的稳定性照片，其没有发生相分离和分层。而对于TOCN(对照组)稳定乳状液却不稳定，其在储存1天后观察到明显的破乳。因此，ε-聚赖氨酸的引入提高了纤维素的乳化性能。光学显微镜观察得到的ε-9PL-1.6TOCN稳定的高内相乳液液滴排列紧密且大小均匀。

以下采用多组具体的实施例对氨基化纳米纤维素的制备方法进行详细说明：

实施例1

a、TEMPO化学羧基化纤维素的制备：

称取5g干重纤维素分散于500ml水中，再加入0.5g溴化钠和0.064gTEMPO，搅拌使各组分充分溶解，再向体系中加入25mmol次氯酸钠，立即用盐酸将pH调制10，随后不断滴加0.05mol/l的氢氧化钠溶液将体系pH维持在10。当体系不再消耗氢氧化钠时，将混合液离心洗涤，并将测量洗涤干净的TEMPO氧化纤维素产物的固含量。

b、TEMPO酶法羧基化纤维素的制备；

称取一定量TEMPO溶解于0.1M pH 4.5的乙酸-乙酸钠缓冲液中配制5-70mM浓度的TEMPO溶液。取1g纤维素原料加入装有100mL TEMPO溶液的烧杯中，搅拌均匀后加入300-800U的漆酶。用保鲜膜将烧杯进行封口，在保鲜膜上用细针扎10个左右小孔，以便空气中的氧气进入。将混合体系置于25℃水浴中以500rpm的转速进行磁力搅拌，氧化开始。氧化8-140h后，将混合体系置于冰水浴中冷却30min，终止反应。用蒸馏水洗涤羧基化纤维素。获得的水不溶性部分即为TEMPO/漆酶/O

c、草酸氧化法制备羧基化纤维素：

将1g纸浆加入含有50mL草酸(浓度为50％(w/w))的反应器中，反应在90℃温度下和250rpm的恒定搅拌下进行反应。之后，过滤溶液并洗涤纸浆，洗涤过程要用热水以避免酸结晶，然后在室温下用水过滤洗涤。

d、甲酸氧化法：

将纤维素在甲酸溶液中(浓度为80％(w/w))加热至100℃并搅拌处理6h。为了促进反应过程，8wt％的FeCl

e、高锰酸钾氧化法：

将1wt％的稀硫酸倒入三口烧瓶中，在搅拌状态下将纤维素浆料和高锰酸钾按1∶1.4的质量比加入烧瓶中加热反应6h，然后加入过氧化氢淬火反应。将上述悬浮液用去离子水过滤洗涤得到羧基修饰的纤维素。

f、多元酸DES体系预处理纤维素：

将氯化胆碱和甲酸以1∶2的摩尔比在150rpm的圆底烧瓶中室温(25℃)搅拌30min，制备F-DES，得到F-DES的透明液体。然后在F-DES中加入纤维素浆料，纤维稠度为5wt％。反应在90℃的油浴中进行一定时间。之后，将分散液离心以分离上清液和固体残留物。固体残渣用1000g去离子水离心洗涤5次，然后得到预处理的羧基化纤维素样品。此外低共溶溶剂体系还可以包括如草酸/氯化胆碱和柠檬酸/氯化胆碱等。

通过改变上述化学改性条件可以得到羧基含量为1.0-1.8mmol/g对的羧基化纤维素原料。

实施例2

(1)以实施例1中1.6mmol/g羧基含量的羧基化纤维素(TOC)改性为例，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对羧基化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入6.15g(32mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。将得到的混合物在室温下搅拌反应0.5-6h，动态维持pH为5.5-6。离心洗涤去除过余的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，得到纤维素O-酰基脲中间酯悬浮液。

(2)在(1)所述的悬浮液中加入3.69g(32mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌1-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)在(2)所述的悬浮液中溶解9mg/mLε-聚赖氨酸，pH调至7-8。在室温下磁力搅拌反应24h，多次洗涤得到氨基改性纤维素材料。

(4)将氨基改性纤维素材料在酸性条件下经过高压均质处理获得氨基纤维素纳米纤维分散液。

本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为76.18±4.15％，纳米纤维的长度约502.87±274.06nm，直径为16.24±7.38nm。氨基含量1.04±0.23mmol/g。

以下实施例3-5为使用不同羧基含量的羧基化纤维素作为氨基化改性的原料，相应的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的用量也随之改变，来进一步说明了羧基含量对氨基化改性效率的影响。

实施例3

(1)与实施例2实验实施过程相同，区别在于采用的原料是1.3mmol/g羧基含量的羧基化纤维素，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对羧基化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入5g(26mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。将得到的混合物在室温下搅拌反应0.5-6h，动态维持pH为5.5-6。离心洗涤去除过余的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，得到纤维素O-酰基脲中间酯悬浮液。

(2)在(1)所述的悬浮液中加入3g(26mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌1-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)和(4)的实验过程与实施例2相同。

本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为65.92±4.01％，纳米纤维的长度约896.57±365.62nm，直径为25.93±9.85nm。氨基含量0.82±0.03mmol/g。

实施例4

(1)实施例2实验实施过程相同，区别在于采用的原料是1.0mmol/g羧基含量的氧化纤维素，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对氧化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入3.85g(20mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。将得到的混合物在室温下搅拌反应0.5-6h，动态维持pH为5.5-6。离心洗涤去除过余的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，得到纤维素O-酰基脲中间酯悬浮液。

(2)在(1)所述的悬浮液中加入2.3g(20mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌01-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)和(4)的实验过程与实施例2相同。

本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为57.26±2.80％，纳米纤维的长度约1028.71±503.94nm，直径为27.83±11.3nm。氨基含量0.73±0.04mmol/g。

实施例5

(1)实施例2实验实施过程相同，区别在于采用的原料是1.8mmol/g羧基含量的羧基化纤维素，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对羧基化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入6.92g(36mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。将得到的混合物在室温下搅拌反应0.5-6h，动态维持pH为5.5-6。离心洗涤去除过余的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，得到纤维素O-酰基脲中间酯悬浮液。

(2)在(1)所述的悬浮液中加入4.15g(36mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌1-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)和(4)的实验过程与实施例2相同。

本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为80.28±3.01％。纳米纤维的长度约481.32±196.08nm，直径为12.42±5.68nm。氨基含量1.2±0.25mmol/g。

根据实施例2-5的实验结果可以得出，氧化程度越高的TOC提供的羧基反应位点越多，反应活性越高，纳米纤维的得率和氨基含量越高。

本发明所涉及的实施例不局限于上述实施例，表1对本发明所涉及的一种氨基纤维素纳米纤维的制备方法做了简单的列举。序号1-16是在实施例2的基础上，分别考察了活化试剂用量、氧化方法、羧基含量、聚赖氨酸用量和活化试剂添加方式对改性后氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率的影响规律。序号1-2和17-18是在对比例3的基础上，考察了活化试剂添加方式对改性后氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率的影响规律。

表1不同条件下制备的氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率

如表1所示，是部分不同条件下制备的氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率。我们在这里用实施例和对比例进行氨基含量和纳米化得率的比较，来说明该研究方法对氨基化和纳米化的影响规律，但未列出所有的实施例和对比例。ε-聚赖氨酸接枝纤维素是在多相反应条件下成功地修饰了部分羧基化纤维素。接枝氨基丰富的羧基化纤维素在酸性体系中分散，由此得到氨基纤维素纳米纤维；否则，未接枝或接枝不足的羧基化纤维素在酸性条件下不能被纳米分散。氨基纤维素纳米纤维的得率与羧基化纤维素中羧基含量、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比、羧基活化的反应步骤和ε-聚赖氨酸浓度密切相关。从表1可以看出，采用一步法羧基活化反应步骤，当羧基化纤维素羧基为1.6mmol/g，ε-聚赖氨酸浓度为3mg/mL，羧基化纤维素羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺的摩尔比为1∶20∶20时，氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率分别为0.79±0.12mmol/g和60.18±3.12％，远高于摩尔比为1∶10∶10时对应的氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率0.68±0.09mmol/g和52.09±4.84％，仅略低于1∶20∶40时的0.81±0.31mmol/g和63.98±4.92％。因此，采用1∶20∶20的摩尔比进一步进行反应优化。氧化程度越高的羧基化纤维素提供的羧基反应位点越多，反应活性越高：当羧基含量为1.8mmol/g，ε-聚赖氨酸含量为9mg/ml时，氨基含量可达1.2±0.25mmol/g，ε-9PL-1.6TOCN纳米化得率为80.28±3.01％。同样的反应条件下，当羧基1.0mmol/g时，得到的氨基纤维素的氨基含量为0.73±0.04mmol/g；纳米纤维得率为57.26±2.80％。如前所述，未接枝或接枝不足的羧基化纤维素在酸性条件下不能被纳米纤颤化。此外，随着羧基含量和ε-聚赖氨酸浓度的增加，反应官能团越多，接枝率越高，相应的氨基含量也越高：以使用羧基含量为1.6的羧基化纤维素为例，随ε-聚赖氨酸浓度的逐渐增加，改性后得到的氨基纤维素的氨基含量分别为0.79±0.12mmol/g(3mg/mL)，0.90±0.03mmol/g(6mg/mL)和1.04±0.23mmol/g(9mg/mL)和1.1±0.18(12mg/mL)；纳米纤维素纳米纤维的得率分别为60.18±3.12(3mg/mL)、68.84±4.76(6mg/mL)和76.18±4.15(9mg/mL)和79.46±2.74(12mg/mL)。对于ε-3PL-1.6TOCN，摩尔比为1∶10∶10和1∶20∶20时，从表1可以看出，在相同条件下，“分步活化”改性后氨基纤维素的氨基含量和纳米化得率高于一步混合法羧基活化反应的得率。这是因为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺对羧基的活化需要过多的反应试剂。由于体系中1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺过量，反应效率较低，可能会发生羧基间自交联等副反应，降低了O-酰基异脲向N-羟基琥珀酰亚胺酯的进一步转化。因此，“分步活化”改性有利于有效地生成O-酰基异脲并将其转化为N-羟基琥珀酰亚胺，这对纤维素与ε-聚赖氨酸之间的反应至关重要。由此可知：不同的氧化的方法制备出羧基化纤维素对于最终的氨基化效率和纳米化得率的影响较小；分步法可有效提高氨基化效率，进而提高氨基纤维素纳米纤维得率，是制备氨基化纳米纤维素的关键；纤维素羧基含量越高越有利于氨基化改性，ε-聚赖氨酸的浓度越高，越有利于氨基化改性。

对比例1

(1)实施例2实验实施过程相同，区别在于采用的原料是0.8mmol/g羧基含量的羧基化纤维素，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对羧基化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入3.04g(16mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。将得到的混合物在室温下搅拌反应0.5-6h，动态维持pH为5.5-6。离心洗涤去除过余的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺，得到纤维素O-酰基脲中间酯悬浮液。

(2)在(1)所述的悬浮液中加入1.84g(16mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌1-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)和(4)的实验过程与实施例2相同。

本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为40.72±3.98％。氨基含量0.49±0.05mmol/g。因此纤维素的羧基含量不足，通过进一步氨基化修饰后最终也不能通过纳米化得到高得率纳米纤维分散液。

对比例2：

实施例2实验实施过程相同，区别在于步骤(3)所述的悬浮液中溶解ε-聚赖氨酸为2mg/mL。本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为46.34±4.89％，氨基含量0.51±0.08mmol/g。因此氨基化改性试剂不足，通过进一步氨基化修饰后最终也不能通过纳米化得到高得率纳米纤维分散液。

对比例3

(1)以实施例中1.6mmol/g羧基含量的羧基化纤维素(TOC)改性为例，首先将1g干燥后的TOC加入到100mL去离子水中，在磁搅拌下搅拌均匀悬浮。分别以羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为1∶10∶10对羧基化纤维素进行改性；具体地：在磁搅拌条件下加入2.5g(13mmol)1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和1.5g(13mmol)N-羟基琥珀酰亚胺(100mL体系)，在室温下pH 6下持续搅拌1-6h，得到具有反应活性的纤维素中间酯悬浮液。

(3)和(4)的实验过程与实施例2相同。本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为19.22±3.13％。氨基含量0.20±0.04mmol/g。

对比例4

实施过程与对比例3相同，区别在于羧基：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺：N-羟基琥珀酰亚胺摩尔比例为：1∶20∶20对羧基化纤维素进行改性；本实施例中，氨基纤维素纳米纤维得率为28.56±4.08％。氨基含量0.32±0.03mmol/g。

综上对比例3和4，结合表1所示，结果表明，分步活化的反应效率要优于一锅交联，这是由于1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺反应和N-羟基琥珀酰亚胺对羧基的活化需要过多的反应试剂。由于体系中1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺过量，反应效率较低，可能会发生羧基间自交联等副反应，降低了O-酰基异脲向纤维素反应中间酯的进一步转化，使得反应效率较低。因此，分步活化有利于有效地生成O-酰基异脲并将其转化为维素反应中间酯，这对进一步调解纤维素与ε-聚赖氨酸之间的反应至关重要。