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青島能源所開發(fā)出一種綠色纖維素溶解新體系
文章來源:新能源網(wǎng)     更新時間:2025-06-18 16:05:49

 

隨著全球?qū)?ldquo;減污降碳協(xié)同增效”理念的廣泛共識,加強(qiáng)對天然聚合物綠碳資源的開發(fā)和利用引起了各國的廣泛關(guān)注。其中,纖維素由于其自然產(chǎn)量巨大、可再生、可生物降解和良好的生物相容性等特殊的理化性質(zhì),一直以來都是科研和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。但是,由于纖維素高結(jié)晶性的致密結(jié)構(gòu)和其分子鏈間的強(qiáng)相互作用,使得綠色高效纖維素溶解體系的開發(fā)一直是實(shí)現(xiàn)其功能性先進(jìn)應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。

近日,青島能源所系統(tǒng)集成工程中心木質(zhì)纖維綠碳材料項(xiàng)目部,基于溴化鋰熔鹽水合物非溶解預(yù)處理與甲酸酯化的協(xié)同策略,建立了一種綠色高效的纖維素甲酸溶解體系,可用于制備性能可調(diào)的再生納米纖維素甲酸酯(RNCF)、絲線和薄膜材料等(圖1)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),與常用的離子液體和共溶劑溶解纖維素體系不同, LiBr·3H?O在室溫下對纖維素(特別是高聚合度棉漿纖維)進(jìn)行15分鐘預(yù)浸漬處理后,能夠顯著破壞其分子間和分子內(nèi)氫鍵(氫鍵結(jié)合強(qiáng)度降低了25%),高效解構(gòu)其結(jié)晶結(jié)構(gòu)(結(jié)晶度降低了86%),從而提升其化學(xué)反應(yīng)活性及在甲酸中的酯化反應(yīng)和溶解效率,溶解度高達(dá)10%。通過XPS、固/液體NMR與氫-氘交換FTIR等系統(tǒng)表征證實(shí),LiBr·3H?O在室溫處理過程中,不飽和配位的水合鋰離子可滲透到纖維素結(jié)晶區(qū)內(nèi)部,與纖維素羥基的氧原子配位,從而打破纖維素氫鍵,而溴離子可與纖維素羥基的氫結(jié)合,并協(xié)同水合溴離子的空間位阻效應(yīng)有效防止氫鍵重構(gòu),實(shí)現(xiàn)對纖維素致密結(jié)構(gòu)的高效解離。在此溫和條件下,LiBr·3H?O溶劑并不溶解纖維素,處理后可直接進(jìn)行固液分離,液體可直接回用,纖維素固體經(jīng)水清洗后可與甲酸高效反應(yīng),90 ℃反應(yīng)1.5小時(或室溫反應(yīng)5天)可完全溶解,溶解的纖維素可在水中再生,得到高取代度(>1.2)、高聚合度(300-700)和高得率(100%)的再生纖維素甲酸酯,再經(jīng)高壓均質(zhì)處理可制得尺寸均勻的RNCF

此外,引入的甲酸酯基官能團(tuán)(甲酰基)顯著增強(qiáng)了RNCF的兩親性平衡,使其可同時作為水包油型和高內(nèi)相油包水型皮克林乳液的高效穩(wěn)定劑,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。同時,酯基的引入也可使再生的纖維素甲酸酯容易脫水,降低工業(yè)運(yùn)輸?shù)某杀荆蝗芙庥诩姿崛芤旱睦w維素甲酸酯,既可在稀釋的NaOH凝固浴中紡絲,也可通過流延法成膜,所得到的新材料均具有良好的機(jī)械性能和綠色屬性,可拓寬其在高附加值功能性先進(jìn)材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

值得注意的是,溴化鋰熔鹽水合物和甲酸(可由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化獲得)均易于回收回用,可確保該纖維素溶解體系的綠色、可持續(xù)。因此,該工作有望為纖維素的綠色高效溶解,納米纖維素的清潔制備以及纖維素基功能材料的開發(fā)和利用構(gòu)建新的技術(shù)平臺。

 

 

圖片

相關(guān)工作已于近日在線發(fā)表于ACS Nano期刊。論文第一作者是來自芬蘭奧博學(xué)術(shù)大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生張義棟和鄧王芳,通訊作者為李濱研究員和芬蘭奧博學(xué)術(shù)大學(xué)徐春林教授。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃和青島市科技惠民示范專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

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