清华危岩教授课题组《Carbohyd. Polym.》: 具有超高溶解度和可调控纤维素结构的多功能纤维素溶剂
2022-08-08 来源:高分子科技
纤维素是世界上含量最多、分布最广的的生物高分子之一。为了将纤维素加工成功能材料,通常需要使用纤维素溶剂。然而,现有的纤维素溶剂存在纤维素溶解度低、价格高昂、环境污染严重或者对纤维素聚合度要求苛刻等问题。浓酸能溶解纤维素的现象早已被发现。特别是浓硫酸具有价格低廉且能溶解大部分其它化学物质的特点,为优良的候选纤维素溶剂。然而,用浓硫酸溶解纤维素存在溶解度低及纤维素降解严重的问题。因此,纤维素经浓硫酸溶解后几乎不具有实用性。
基于以上背景,本研究开发了低温两步浓硫酸法纤维素溶解体系(图1)。该体系具有极高的纤维素溶解度(>300 g/L),且纤维素溶解速率快、再生纤维素得率高(>0.92 g/g)、再生过程中纤维素可成型(图2)。带来这些优良特性的原因主要是在低温下,较低浓度的浓硫酸对纤维素具有很高的亲和性,而高浓度浓硫酸与纤维素直接接触时亲和性很小(图2D)。
图1. 纤维素在低温两步浓硫酸中的溶解过程示意图
图2. 纤维素在低温两步浓硫酸中的溶解及再生。(A)棉纤维素在溶解前的偏光显微照片,(B)棉纤维素在两步法浓硫酸中溶解后的偏光显微照片,(C)300 g/L的棉纤维素溶液,(D)0 -°C时 68% 浓硫酸与纤维素的接触角,(E)纤维素在不同温度的两步浓硫酸中的溶解度,(F)不同条件下再生纤维素的得率。
图3. 不同过程参数对再生纤维素聚合度的影响。(A)棉纤维素的初始聚合度,(B)起始硫酸浓度对再生纤维素聚合度的影响,(C)加入前纤维素温度对再生纤维素聚合度的影响,(D)溶解温度对再生纤维素聚合度的影响,(E)再生温度对再生纤维素聚合度的影响,(F)存放时间对再生纤维素聚合度的影响。
图4. 低温两步浓硫酸的功用。(A)制备超高强度纤维素水凝胶,(B)制备高强度纤维素丝,(C)制备各种均相复合物,图为聚集诱导发光染料@纤维素无相复合物,(D)制备纤维素寡糖。
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119917
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(责任编辑:xu)
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