原子力显微镜应用于纤维素表面形态和粗糙度研究

随着全球范围能源危机的加重，生物质资源的研究与开发引起了科研工作者广泛的关注。而纤维素作为生物质资源中最重要的一种天然高分子化合物，在纺织、食品和医药等领域得到了广泛的应用，因此对纤维素的结构进行研究具有重要的意义。原子力显微镜作为一种新型的表面结构表征技术，可以通过检测探针和样品之间的相互作用力，实现纤维素表面形态和粗糙度的研究。

1998年，Ｂａｋｅｒ等利用原子力显微镜对结晶纤维素大分子结构进行分析，发现天然纤维素在结构上以纤维二糖为重复单元，在整个结晶区内，单斜晶系和三斜晶系紧密相连，并以１／４重复单元的错位排列。Ｙａｍａｍｏｔｏ和Ｄｅｂｚｉ等后期的研究工作发现，经过热处理后的热亚稳型的三斜晶系可以转化成为稳定的单斜晶系。2008年，有人利用ＡＦＭ对纤维素表面形态进行分析，发现当选用的基体带正电荷时，纤维素能够舒展地附着在表面，而当基体表面带有负电荷时，纤维素则会形成紧凑的球形结构存在于表面。上述现象是由于纤维素本身含有的极性羟基使其表面带有负电荷而产生的。因此，在利用ＡＦＭ对纤维素的形态进行观测时，需要综合考虑基体材料对其形貌的影响。

造纸作为纤维素的一个重要工业应用，ＡＦＭ对制浆工艺过程的改善具有现实指导意义。2000年，研究者通过ＡＦＭ对松木和桦木浆的表面进行了分析，对比了浆料氧脱木素的碱处理脱木素前后的纤维表面形貌的变化情况，结果发现，在脱除木素的过程中，细纤维表面取代了颗粒表面，并且随着浆料Ｋａｐｐａ值降低，颗粒相也减少，这说明颗粒结构的物质主要是木素。最小颗粒粒径与文献中木素分子的理论值一致。2003年，Ｋｏｌｊｏｎｅｎ等利用ＡＦＭ对３种云杉机械浆（压力磨木浆、热磨机械浆和化学热磨机械浆）表面化学和形貌进行了分析，发现机械浆纤维表面的不均匀性。Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ等利用ＡＦＭ和ＥＳＣＡ研究了２种云杉的热磨机械浆的表面性能，同时探讨了纤维分离温度以及精磨工序的影响。

ＡＦＭ能够测量纤维素表面的粗糙度，纤维素表面粗糙度对纤维间的结合力有一定的影响，因此对纤维表面粗糙度的分析具有实际意义。2001年，Ｓｎｅｌｌ等通过ＡＦＭ的Ｚ高度方向数据，对火炬松热磨机械浆（ＴＭＰ）纤维表面粗糙度进行了测定。试验结果证明，纤维表面粗糙度随着打浆压力的增大而明显增加。王建清等利用ＡＦＭ对添加不同含量ＳｉＯ２制得的纤维素薄膜的表面形貌及粗糙度进行表征，发现随着ＳｉＯ２含量的增加，复合纳米纤维素薄膜的粗糙度在增加，同时结合ＳＥＭ断面扫描发现，ＳｉＯ２添加量不同时，断面结构存在明显的差别。