纤维素材料大分子链间和链内氢键特征及其解离探索

In this project, the formation and the characteriozation features as well as the disbanding of the hydrogen bonding between the hydroxyl groups on cellulose macramolecular chains will be investigated by FTIR, NMR, DSC and QCM. The mechanism of the formation of the hydrogen bonding between added compounds and cellulose macromolecular chains which may result in the disbanding of the hydrogen bands within the cellulose polymer chains will also be studied. The effects of the physical action, chemical and physical properties of the added compounds, the condensation states and the conditions such as temperature and pressure on the disbanding of the hydrogen bonds between cellulose chains will be discussed. The new systems of the disbanding for cellulose hydrogen bands between cellulose chains may be developed based on the achievements of above researches.

本项目主要通过物理机械、外场作用，以及外加特定化合物与纤维素材料大分子链形成氢键的途径，考察纤维素大分子链间和链内氢键的解离过程和机制，研究纤维素大分子链葡萄糖环上羟基之间形成链间和链内氢键的特征以及与外加化合物分子形成氢键的机制，研究在机械剪切和外场作用下，以及外加化合物分子在与纤维素大分子链形成氢键过程中，解离纤维素大分子链间和大分子链内氢键的过程与机理，探讨外加化合物的物理化学性质，纤维素自身的聚集态结构和环境条件对选定化合物解离纤维素大分子链间和链内氢键的影响和规律，为制备纤维素大分子链氢键解离体，拓宽纤维素材料的加工窗口，系提供理论和技术支撑。

主要研究了不同极性助剂分子对纤维素大分子链间弱键相互作用（氢键、范德华力）网络的调控，考察了纤维素大分子链间（内）氢键的破坏与纤维素纳米化产物的形貌关系，探讨了纤维素聚集态结构和环境极性条件对解离纤维素大分子链间和链内氢键的影响和规律。发现在机械力作用下，水、DMF等极性助剂分子可以进入到纤维素晶体的亲水晶面之间，破环或削弱晶面（110、1-10）间氢键相互作用，不影响疏水晶面间的范德华力相互作用；甲苯、二甲基硅氧烷等非极性助剂分子可以进入到纤维素晶体疏水晶面（200）之间，破环或削弱晶面间的范德华力相互作用，不影响亲水晶面间的氢键相互作用。在纤维素通过机械力作用下的纳米化过程中，氢键的削弱或破环导致亲水晶面间产生滑移，纤维素纤维沿亲两个水晶面剥离，形成纤维素纳米纤维；范德华力相互作用的削弱或破环，导致疏水晶面间产生滑移，纤维素纤维沿疏水晶面剥离，形成纤维素纳米片。该研究结果对认识纤维素大分子链间（内）弱键（氢键、范德华力等）相互作用，以及如何调控这类的相互作用具有积极的意义。同时，发展了一种利用助剂分子极性调控纤维素大分子链弱键相互作用，进而可控制备不同形貌或维度的纤维素纳米材料的新方法。