离子键介导的木材纳米纤维素一步相转移及再分散机制

The low transfer efficiency from aqueous phase to organic phase and the poor dispersibility of wood nanocellulose in organic phase, caused by the existence of abundant hydroxyl groups on the surface of wood nanocellulose, are the main technical bottlenecks for the fabrication of wood nanocellulose functional composites and the high value-added application of wood cellulose. With the help of phase transfer catalytic technology, the stable non-covalent ionic bond will be formed between phase transfer catalyst and nanocellulose. It promotes the transfer of nanocellulose from the aqueous phase to the organic phase and alters the surface of nanocellulose by non-covalent ionic bond simultaneously, thereby achieving an efficient improvement in the organic dispersibility of nanocellulose. Then the nanocellulose is functionalized by organic graft modification to prepare nanocellulose-based functional composites. The phase transfer process of nanocellulose from the aqueous phase to the organic phase, the dispersibility of nanocellulose in organic solvents and the organic modification of nanocellulose were investigated, respectively, to verify the mechanism of phase transfer and stable dispersion in organic solvent for nanocellulose, and to evaluate the synergistic effect of “organic dispersibility→organic modification efficiency→functional composites” for nanocellulose. It is expected that the obtained results can open a reliable avenue for the construction of high-performance nanocellulose-based functional composites and the value-added application of wood cellulose.

由于木材纳米纤维素表面存在大量羟基导致其从水相到有机相转移效率低并且在有机相中分散性能差，是木材纳米纤维素功能复合材料构建及木材纤维素高值化利用的主要技术瓶颈。本项目拟通过相转移催化剂与纳米纤维素之间形成的稳定非共价键离子相互作用，“一步法”同时实现纳米纤维素从水相到有机相的高效转移及其表面非共价键修饰，以提高纳米纤维素有机相分散性能；然后，对其进行有机相接枝改性制备纳米纤维素功能复合材料。分别开展纳米纤维素水相-有机相转移方法研究、纳米纤维素有机相分散性能研究和纳米纤维素有机相接枝改性研究。解析纳米纤维素水相-有机相转移机制、阐明纳米纤维素有机相稳定分散机理、评价纳米纤维素“有机相分散性能→有机相改性效率→复合材料性能”间的增效作用关系，为高性能纳米纤维素功能复合材料构建及木材纤维素的高值化利用研究提供新思路。

本项目通过相转移催化剂与纳米纤维素之间形成的稳定非共价键离子相互作用，“一步法”实现纳米纤维素从水相到有机相的高效转移及其表面非共价键修饰，进而提高纳米纤维素有机相分散性能；然后对其进行有机相接枝改性制备纳米纤维素功能复合材料。主要研究内容如下：（1）建立了简便的“脱水-复水”策略，实现纳米纤维素的高效水相再分散，纳米纤维素的再分散率高达75%；并以高吸水性木质素磺酸钠作为封端剂，可进一步提高纳米纤维素的水相再分散率，最高为95%。（2）建立了基于相转移技术的纳米纤维素从水相到有机相一步转移法，纳米纤维素的最高相转移率高达85%，相转移修饰可以在纳米纤维素表面引入长烷基链，提升其在多种有机溶剂中的再分散性能；并且改性后纳米纤维素可在DMSO、 DMAc、DMF、丙酮和THF中呈现双折射现象，表明其可在有机溶剂中呈现纳米级分散。（3）基于有机相分散的纳米纤维素分别构建了纳米纤维素物理复合弹性体材料、纳米纤维素化学交联弹性体材料和多功能湿度响应型纳米纤维素材料。研究结果表明：纳米纤维素有机分散性能的提升可以极大地促进其在纳米纤维素物理复合材料的增强作用；纳米纤维素化学交联弹性体中，化学交联作用和纳米纤维素增强作用协同促进纳米复合材料机械性能，当纳米纤维素含量为1-5wt%时，复合材料的应力、应变、杨氏模量和韧性都同时增加。基于有机相稳定分散的纳米纤维素还可以构建具有湿度响应型、可水塑化加工的纳米纤维素智能薄膜材料。项目研究成果为高性能纳米纤维素功能复合材料构建及木材纤维素的高值化利用研究提供新思路