小角中子散射研究木质素溶液结构和木质素纳米颗粒制备及应用

As renewable and natural macromolecules containing aromatic rings, lignin starts receiving increasing attentions towards value-added applications. Lignin can be used as an additive and render materials with UV adsorption and anti-oxidant properties. One of the problems with lignin's applicaiton in materials science is that lignin molecules tend to aggregate and this leads to poor dispersity in polymer matrix. Lignin nanoparticles offer an apportunity to solve this problem. Lignin nanoparticles with different sizes and shapes are prepared mainly by decreasing its solubility in solutions. Manufacturing lignin nanoparticles with well controlled sizes and shapes is critical for its application. Lignin molecules tend to associate to form nano-meter aggregates in solutions due to their chemical structures. It is important to investigate the aggregation between lignin molecules in order to prepare lignin particles with well-defined shapes and sizes. This project takes advantage of small angle neutron scattering on revealing structures of nano-scale aggregates, proposes to study aggregated structures of lignin with different chemical structures in solutions. Correlations between solution structures of lignin and lignin nanoparticle preparation will be established, and dispersity of lignin nanoparticle in polymer materials and its impact on materials properties will be demonstrated.

木质素作为一种可再生的富含苯环的天然大分子，其高值化利用逐渐受到人们的重视。木质素作为添加剂能够赋予材料吸收紫外线和抗氧化的性能。木质素在材料科学领域的应用遇到的问题是木质素分子容易团聚而不能均匀分散在高分子基质里。木质素纳米颗粒为解决木质素的不受控制的分散性提供了一个思路。木质素纳米颗粒主要制备方法是改变其溶液的性质使得木质素沉淀形成不同形状和大小的微纳米颗粒。而制备可控形状和大小的木质素纳米颗粒对于其应用至关重要。木质素由于自身的化学结构容易在溶液里形成纳米尺度上的聚集体。研究木质素分子间聚集机理对于制备可控形状和大小的木质素纳米颗粒具有重要的意义。本项目利用小角中子散射在揭示微纳米尺度的聚集态结构上的独特优势，研究不同化学结构的木质素在溶液里的聚集态结构，建立木质素聚集态结构和木质素微纳米颗粒结构间的关联, 展示木质素微纳米颗粒在材料里的分散性及其对材料性能的影响。

木质素作为一种可再生的富含苯环的天然大分子，其高值化利用逐渐受到人们的重视。木质素纳米颗粒是实现木质素高值化应用的一个重要途径。研究木质素分子间聚集机理对于制备可控形状和大小的木质素纳米颗粒具有重要的意义。本项目利用小角中子散射在揭示微纳米尺度的聚集态结构上的独特优势，研究不同化学结构的木质素在溶液里的聚集态结构，分析了影响木质素聚集的结构因素，研究了木质素纳米颗粒水溶液结构。我们分析了不同类型离子液体预处理纤维素生物质和提取木质素研究，离子液体的回收和再利用，生物相容性和过程强化，预处理过程优化，过程放大，工业经济分析，可持续性。分析了木质素生物活性的结构基础，并且分析了木质素纳米颗粒用于药物递送，伤口愈合水凝胶，以及3D 打印材料等方面的研究。通过小角中子散射，对6种不同来源的木质素溶液进行了系统研究。结果显示，所有木质素在二甲基亚砜等常见木质素溶剂中并未形成单分子分散的溶液，其结构为单分子+聚集体或者聚集体。小角中子散射数据分析得到了木质素分子的大小，其长度为60 到 130 Å， 截面半径为8 到 14 Å。研究发现，不同的木质素分子在二甲基亚砜具备不同的聚集度，其聚集度取决于脂肪族羟基和酚羟基之比。该比值越小，聚集度越低。另外，在溶液中，高分子量的木质素分子形成聚集体，低分子量的木质素分散为单分子。木质素的拆分可以降低其结构的不均一性。使用丙酮对三种木质素进行了拆分，其中溶解于丙酮的部分可以在二甲基亚砜中形成均匀的单分子溶液。这里，我们使用小角中子散射研究了木质素纳米颗粒水溶液的结构。我们发现，木质素纳米颗粒是一个致密的球体，但是其表面被一个大的水化层包围。其中水化层的厚度可以达到纳米颗粒半径的2倍。木质素纳米颗粒水溶液可以将纳米颗粒的应用拓展到生物医药领域。我们比较了木质素的二甲基亚砜溶液和纳米颗粒水溶液的细胞毒性，发现纳米颗粒可以降低木质素的细胞毒性，展示了其作为药物和基因载体的应用前景。