基于溶解浆的纤维素用氢氧化钠/添加剂溶解体系及溶解成膜性能的研究

As the most abundant and renewable resource on the Earth, cellulose will draw more and more research interest in textile, material science and biomedical engineering. However, cellulose is difficult to dissolve in common solvent due to its chemical and crystalline nature. Besides several cellulose solvents (such as carbon bisulfide, copper-ammonia and NMMO) used in industry, NaOH/Urea solvent system being able to dissolve cellulose at lower temperature is a breakthrough in cellulose chemistry, it may replace viscose process used for the production of rayon and cellophane if its dissolution capacity and stability of cellulose solution resulted from this solvent system were improved, removing serious pollution problems of the latter. Therefore, in this work, dissovling pulp with high purity cellulose and even molecular weight distribution will be selected as cellulose raw material because it can meet the standard of cellulose chemical industry, then the effect of addition of additives being able to serve for the hydrogen bonding acceptor to NaOH aqueous solution on dissolution capacity of aqueous NaOH-based solvent system will be studied, in addition, the effect of destruction of intramolecular and intermolecular hydrogen-bonding on dissolution capacity of aqueous NaOH-based solvent system will also be discussed based on the change in dynamic potential ζ of pulp swelled and activated by NaOH/additive solution and viscosity of cellulose solution formed, accordingly, the relationship between optimal condition of this solvent system proper for dissolving cellulose and film-forming property will be established，and dissolution theory of cellulose at low temperature in these systems will be further perfected, promoting utilization of this solvent system in cellulose-based special packaging film.

作为地球上丰富的可再生资源，纤维素将在纺织、材料科学及生物医学工程等领域引发越来越多的研究兴趣。但因其化学和结晶的性质纤维素不溶于普通的溶剂，除了工业上常用的纤维素溶剂(像CS2、铜氨溶液和NMMO)，氢氧化钠/尿素低温溶解体系可以说是纤维素化学上的一个突破，若这个体系的溶解能力和生成的纤维素溶液的稳定性得到改善可以使它代替目前产生污染的粘胶过程用于人造丝和玻璃纸的生产。本项目提出以能够满足纤维素化工原料标准的具有高纯度纤维素和均匀分子量分布的溶解浆为原料，研究NaOH溶液中具有氢键受体物质的添加对其溶解纤维素能力的影响，同时通过NaOH/添加剂润胀活化后浆的ζ电位的变化及形成的纤维素溶液的粘度阐述分子内和分子间氢键的破坏对该溶解体系溶解能力的影响，从而确定该体系溶解纤维素的最佳溶解条件和成膜性能的关系，进一步完善低温溶解理论，促进氢氧化钠/添加剂水系溶解体系在纤维素基特种包装膜上的应用。

溶解浆是一种由高纯度优质纤维素组成的特种化学浆，是一种用途非常广泛的工业原料。在进一步加工成最终产品的过程中，要将其溶解在某种溶剂中，再在另一种溶剂中析出，以此改变纤维的结构和表面形状，甚至可制成膜状产品。目前，全球大部分溶解浆是用于制造再生纤维素纤维。由于缺乏简单可行的纤维素溶剂体系，使得用于生产薄膜的纤维素仅占了很少的比例。随着NMMO、离子液体和氢氧化钠/添加剂水溶液溶剂的出现，以高纯度纤维素的溶解浆为原料生产包装材料又被提到研究日程上来。低温溶解纤维素的7%NaOH/12%尿素等水溶液体系因价廉环保、溶解快速的特点引起了广泛关注，但该体系对可溶解的纤维素的分子量和浓度有一定的限制，且溶解后的纤维素溶液不稳定易凝胶，离成膜的工业化还有一段距离。因此，本项目观察了不同聚合度、不同种类的溶解浆（针叶木溶解浆、阔叶木溶解浆、竹溶解浆）在7%NaOH/12%尿素水溶液、9.5%NaOH/4.5%硫脲水溶液、6%NaOH/4%尿素水溶液、9%NaOH/1%PEG水溶液和8%NaOH/8%尿素/6.5%硫脲水溶液中的溶解行为及成膜情况。结果发现8%NaOH/8%尿素/6.5%硫脲水溶液对各种溶解浆的溶解能力最强，在最好的情况下能对2%浆浓较高聚合度（DP=1520）的日本针叶木溶解浆实现完全溶解，对4%浆浓较低聚合度（DP=434）的竹溶解浆实现完全溶解。然而据报道至少4%以上浆浓的透明纤维素溶液再生才能获得一定强度的纤维素薄膜，因此根据目前的研究结果，我们认为对于较低聚合度（低于740）的溶解浆纤维素原料，我们可以利用其在上述NaOH/添加剂水溶液溶剂中的溶解制备纤维素基功能包装膜；而对于较高聚合度（高于740）的溶解浆纤维素纤维原料，目前报道的氢氧化钠/添加剂水溶液溶剂不能完全溶解其达到制备薄膜的要求，但我们可以利用其在上述NaOH/添加剂水溶液溶剂中的溶解开发植物纤维增强的缓冲包装材料。依我们的观点，对于后者，湿态再生纤维素分子本身扮演着胶粘剂的角色，不溶的较长纤维可起到增强基体的作用，再添加一些辅助高分子助剂，通过再生可以制备出具有一定孔隙度的缓冲材料。