晶面导向纤维素纳米纤维(1D)及片层化(2D)过程中凝聚态结构调控、羟基分布与材料性能的关系

The investigation and development of natural organic polymer materials is significant for sustainable development of organic materials. Cellulose is the biggest natural organic resource and the functionization and nano-materials from cellulose is one of the hottest research fields. In this project, the polarity of added molecules on the interactions of the weak bonding of inter- and intra- cellulose macromolecular chains will be investigated. The relationship of the destruction and reform of the weak bonding as well as extinal force interaction and the variation of the condensed structure during the preparation of cellulose based nano-materials will be explored. The aim of this research is to develop the new technologies for the regulation of the condensed structure and the properties of cellulose based nano-materials bu changing the polarity of the envirement and mechanic force, and promote the utilization of cellulose based functional nano-materials in the application fields.

纤维素是地球上最丰富的天然高分子，具有价格低廉、环境友好、生物相容、可降解可再生等优点，是最重要的可再生生物基有机材料。加强对纤维素材料及纤维素绿色加工过程的研究，符合可持续发展的需求。纳米纤维素被称为生物材料设计的基础“构建模块”，具有许多优异的性能。因此，纤维素纳米化制备与利用是提高纤维素材料附加值的有力手段之一，也是目前纤维素领域最前沿研究课题之一。其中所面临的最大科学与技术难题是如何正确掌握纤维素纤维在剥离过程中分子间（内）弱键相互作用的规律，并通过调控凝聚态结构而掌控相应的性能。本项目提出利用环境极性对纤维素分子间（内）弱键相互作用的影响，通过调节在纳米化过程中，环境极性和机械力的协同作用对纤维素分子间（内）弱键相互作用影响，实现对纤维素纤维在不同晶面方向的可控剥离，调控纳米纤维素的凝聚态结构和纤维素纳米材料亲、疏水性能，最终实现纤维素材料的功能化利用。

本项目主要针对纤维素不同晶面亲疏水性能的不同，利用分子极性调节纤维素分子链间的弱键相互作用来调控通过机械法制备出的纳米纤维素的维度（形貌），并研究了通过调控纤维素间氢键重构的强度制备具有不同性能的纳米纤维素块体材料的方法，考察了氢键与纳米纤维素的分散性能、纳米纤维素聚集性能和纳米纤维素块体材料力学性能之间的关系。发现纳米纤维素形貌与在纳米纤维素制备过程中助剂极性之间的关系，极性助剂促使一维纳米纤维素纤维的形成，非极性助剂促进二维纤维素纳米片的形成，随助剂极性由弱加强，出现纳米纤维素纤维和纳米纤维素片同形成的阶段；发现纤维素分子内和分子间（纳米纤维素纤维之间）氢键的减弱有利于纳米纤维素的分散，如利用阳离子基团的静电相斥作用，即可削弱纳米纤维素纤维之间的氢键相互作用，促进纳米纤维素纤维之间的分离，形成均匀的分散体系；通过研究纳米纤维素聚集时氢键重构与纳米纤维素块体材料的力学性能之间的关系，发现在纳米纤维素聚集过程中，在脱出溶剂过程会诱导纤维素氢键网络发生变化，氢键在不同程度的重构以后，形成三维纤维网络结构，有利于提高材料的力学性能，快速脱出溶剂，分子内氢键O(2)H....O(6)网络减弱，分子内氢键O(3)H...O(5)和分子间氢键O(6)H...O(3')网络增强，纤维素结晶度及晶粒尺寸增大，但拉伸强度及模量均降低；发展了在氢键重构过程中调控溶剂脱出速率来调节纳米纤维素纤维之间氢键强度的技术；将纳米纤维素制备技术应用于农业废弃秸杆微纳米化的过程中，制备出秸杆微纳米粉体，并开展了微纳米秸杆粉体制备绿色地膜和聚合物复合材料的制备。上述成果对理解纤维素分子间和分子内氢键，以及纳米纤维素纤维之间氢键相互作用在材料制备中的主要作用具有重要意义，对纳米纤维素的形貌可控制备以及功能性纳米纤维素制备和应用具有十分积极的作用。