纤维素是自然界中储量最丰富的可再生生物高分子材料，且具有生物可降解特性和极高的机械性能（拉伸强度可高达1GPa，杨氏模量可高达100GPa）是石油产品的优良替代材料。但由于纤维素材料的物化特性，若不通过氢键改性无法熔融，并且不溶于普通溶剂，例如水，乙醇，所以只能通过化学改性或者特殊溶剂打破氢键对其进行加工。

  室温离子液体（100摄氏度以下处于熔融液体状态的盐）具有极低的蒸气压，强稳定性，并且作为纤维素的溶剂已经有大量报道。但是其溶解机理还未完全被理解。其中，关于离子液体溶解纤维素的活化能，目前主要使用流变法进行测算。

  本文使用光学显微镜结合XRD对不同纺织结构的棉花纤维素（cotton bundles, cotton single fibres, cotton arrays）（图1）在离子液体[C2mim][OAc]中溶解进行了研究。通过计算在不同温度下，不同溶解时间，部分溶解纤维素的占比（Coagulation Fraction），利用时温等效原理对溶解行为进行分析，并利用Arrhenius Equation进行纤维素溶解活化能计算。

图1 三种不同纺织结构的棉花纤维素材料示意图

图2 cotton fibres (CF)和cotton bundles (CB) 在不同温度和时间下，经过[C2mim][OAc]处理后的光学显微镜横截面图片

  从光学显微镜照片中可以看出（图2），随着在离子液体[C2mim][OAc]中处理时间的增加和处理温度的升高，溶解部分的占比随之增大。通过软件Imagej对图像进行处理，对溶解过程进行量化处理，从而得到CF的溶解程度在不同温度下随时间变化图（图3）。但由于在cotton bundles中，存在大量空隙，因此使用光学显微镜法进行溶解程度的量化并不适用，对于cotton arrays同理。但XRD在透射模式下可以很好的反映材料在不同处理条件下的结晶结构的整体变化，同时由于溶解过程中cellulose I到cellulose II转化的不可逆性，可以计算出cotton bundles和cotton arrays的溶解程度（图4）。

图3 (a)cotton fibres的溶解度在不同处理温度下随时间变化曲线图；(b)基于40℃的自然对数坐标下的时温等效图和(c)线性时间尺度下的时温等效图；(d) Arrhenius图

图4 溶解程度在不同温度下随时间变化图(a)cotton arrays和(c)cotton bundles以及他们的Arrhenius图(b)cotton arrays和(d)cotton bundles

  通过时温等效分析，Arrhenius公式，不同纺织结构的棉花纤维素在[C2mim][OAc]中具有相似的溶解活化能，平均活化能为96 ± 3 kJ/mol。但不同纺织结构会影响溶解速度（图5），溶解速度趋势为cotton arrays≈cotton fibres>cotton bundles。

图5 不同纺织结构的棉花纤维素材料的时温等效曲线比较

  本文报道的活化能测算方法区别于流变法中使用溶剂彻底溶解纤维素的方法，因为在纤维素的完全溶解过程中，纤维素会有不同程度的降解，从而使其粘度降低，进而影响最后的结果。本文的结果对今后全纤维素材料的制备具有一定的指导性作用。

  本文被刊登在期刊《Cellulose》，以英国利兹大学物理与天文学院博士研究生梁云昊为第一作者，其导师Mike Ries教授为通讯作者。

  文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-020-03576-x