纳米纤丝纤维素凝胶化机理及纤维表面能调控机制研究

It is important to understand the mechanism of Nanofiberillated cellulose (NFC) hydrogel formation, due to the characteristics of NFC hydrogel has restricted its application and industrialization. In this project, the NFC hydrpgel was produced from Soft wood bleached kraft pulp using TEMPO-mediated oxidation followed by high-pressure homogenization process. Firstly, some modern instrucments and techniques, such as Confocal Laser Scanning Microscopy(CLSM) and Scanning Microscopy （SEM）will be used to measure the ultra –structure, Permutation matrix and distribution of the nanofibrers of the NFC gelation. Investigated the effect mechanisms of NFC hydrogel formation. Then, the dynamic tracking techniques, such as dynamic light scattering (DLS) and Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) will be used to gelatinization progress and change of the fiber configuration and the structure of the gelation, and clarify mechanism of the nanocellulose hydrogel. Finally, changed the surface energy of NFC by grafting functional group onto NFC surface, and forming the steric hindrance effect between the fibers, and avoid the NFC formed hydrogel. Investigated relationship between the NFC surface energy, and NFC surface energy with orientation and theological property of the NFC fibers with gelatinization, In a word, the theories on the NFC hydrogel can be enriched and developed through the researching conclusions in this project, and the basic technical foundations can be enlarge their value-added applications fields.

纳米纤丝纤维素（NFC）的凝胶化现象严重制约其应用领域和工业化进程，因此揭示NFC凝胶的形成历程及其相关机理尤为重要。本项目以TEMPO氧化体系制备的NFC凝胶为研究对象，运用共聚焦激光扫描显微镜、扫描电子显微镜等先进分析手段探明NFC凝胶的空间结构及纤维微纤丝的“排列矩阵”与分布，系统探讨影响NFC凝胶结构形成的不同参数及其响应机制；同时采用动态光散射仪、在线颗粒检测技术动态跟踪技术分析NFC凝胶化历程以及纤维形态和凝胶结构的变化规律，揭示NFC凝胶化机理。基于源头控制技术结合物理/化学手段在纤维表面引入功能基团改变NFC表面能，在纤维间形成空间位阻效应使得纤维微纤丝发生重排，避免NFC凝胶的形成;通过构建NFC表面能调控机制，明确纤维微纤丝排列方式对其凝胶化的响应规律，进而提出NFC凝胶解构新思路。本项目研究成果可丰富和发展NFC的理论基础，为拓展NFC应用领域提供理论基础和技术依据。

TEMPO/NaBr/NaClO氧化法制备纤维素纳米纤维（TOCNF）是目前纤维素纳米纤维材料最常见的一种方法，然而虽然高保水性和高粘度的凝胶特性在某些领域具有突出的应用性能，但是同时也限制了TOCNF的应用领域和工业化进程，因此研究TOCNF凝胶的形成过程及其相关机理尤为重要。. 本项目以TEMPO体系制备的TOCNF凝胶为研究对象：（1）制备了不同氧化程度的TOCNF，通过分析纤维尺寸、凝胶流体性能、结构等与羧基含量和解离强度的关系，得出TOCNF凝胶的形成主要与羧基含量和高压均质强度关系密切，凝胶形成主要受纤维间的电荷排斥力和氢键作用；（2）TOCNF凝胶流体性能验证显示凝胶属于典型的假塑性流体，凝胶对pH和电解质稳定性较差，通过去质子化（pH<3）可快速的实现TOCNF凝胶的解构以及分离；（3）阳离子表面活性剂可通过电荷吸附实现TOCNF纤维的快速改性，改性后的CTAB-TOCNF可经过滤实现CNF纤维的分离，并能够在N,N-二甲基乙酰胺中分散；表面活性剂能够改变纤维的排列，阻碍凝胶的形成，在高压均质中添加表面活性剂能够有效的降低凝胶粘度，可将高压均质浓度由1%提高至4%；在TEMPO氧化体系的基础上，通过醚化反应将阳离子基团引入CNF表面，获得一种表面同时带有正电荷和负电荷的两性离子CNF（ZCNF），阳电荷的引入使得CNF纤维的排列发生改变使其无法形成凝胶，同时ZCNF具有较好的盐敏感性，流体随着盐浓度的增加逐渐形成凝胶。. 项目的研究成果对促进CNF的产业化应用具有较大的指导价值，例如通过去质子化解构TOCNF凝胶和分离CNF，阳离子表面活性剂改性CNF其过程和工艺简单，便于工业化应用；两性CNF的制备具有原始创新性，使其在油田钻采和污水处理中的具有潜在的应用价值。