深入共晶溶剂(tmah⋅5h2o/脲)在室温下溶解纤维素的低粘度

作者和机构

主作者: - Li Li, Maozhi Zhang, Yun Feng, Xun Zhang, Feng Xu 机构: - 北京林业大学木质纤维素化学北京市重点实验室 - 北京林业大学生物质材料与能源教育部工程研究中心 期刊: - Carbohydrate Polymers，2024年5月13日线上发布（卷339，编号122260）

研究背景

纤维素作为地球上普遍的可再生资源，因其广泛的氢键网络及高度有序的晶体结构，使得其不可溶于水及传统有机溶剂。相关研究表明，寻找有效的纤维素溶剂是实现其高价值产品转化的关键。深共晶溶剂（DES）因其类似于离子液体的特性，但更具成本效益且合成简单，被认定为一种具有前景的替代品。

研究目标

本研究旨在设计一种低粘度、能在室温下溶解纤维素的DES系统，探索其溶解纤维素的效果，并利用四种技术（FTIR光谱、XRD、XPS、TGA）对再生纤维素的结构和性质进行表征。同时，研究还提出了溶解机理，揭示了DES与纤维素之间的相互作用。

研究流程

研究包括以下步骤：

1. 材料准备 使用的材料包括漂白软木牛皮纸浆（BSKP），脲（99%），五水四甲基氢氧化铵(TMAH⋅5H2O)（97%），以及其他必要的染料和溶剂。

2. DES的合成 将TMAH⋅5H2O与脲按不同摩尔比（1:1到1:3.5）混合，通过磁力搅拌在室温下搅拌，直至形成透明均匀的液态溶液。

3. 纤维素的溶解与再生 将BSKP加入已合成的DES中，在不同温度下通过磁力搅拌进行溶解，观察溶解情况。然后通过添加去离子水制备再生纤维素（RC），并进行多次冲洗以去除残留的溶剂，最终在60°C真空干燥。

4. 理化表征

   • FTIR光谱：通过傅里叶变换红外光谱仪测定样品的红外光谱。
   • XRD：利用X射线衍射技术分析再生纤维素的晶体结构。
   • XPS：使用X射线光电子能谱分析材料表面元素组成。
   • TGA：通过热重分析仪研究样品的热稳定性及分解特性。

主要研究结果

1. 溶解能力 最佳的摩尔比为1:3，在室温下能溶解约7.5%（wt）的纤维素。

2. 克密度、晶型转变 通过XRD分析，RC由纤维素I型转变为纤维素II型，其结晶度和聚合度均有所降低。

3. 热稳定性 通过TGA分析发现RC在315.1°C开始分解，低于原纤维素（323.5°C），表明再生纤维素的热稳定性有所降低。

4. 流变性能 纯DES溶剂表现出牛顿流体行为，而纤维素/DES溶液则表现出剪切稀化特性，适用于纤维制备中的纺丝过程。

结论

本研究提出了一种四甲基氢氧化铵/脲（TMAH⋅5H2O/脲）DES系统，证明其在室温下具有良好的纤维素溶解能力，且制备简单、粘度低。这一系统在纤维素溶解和再生过程中展现了显著优越性，为纤维素的高效利用提供了新途径。此外，对其溶解机理的深入探讨，为未来纤维素溶解策略的开发奠定了基础。

研究亮点

1. DES系统首次实现室温下高效溶解高分子量纤维素。
2. 提出并验证了溶解机理，揭示了纤维素分子与溶剂成分之间的相互作用。
3. 通过多种表征技术全面分析再生纤维素的结构和性能。

本研究为纤维素的利用开辟了新的思路，具有重要的理论和应用价值。