机械活化强化固相化学反应制备纤维素高级脂肪酸酯及其机理研究

针对目前纤维素高级脂肪酸酯制备方法与固相化学反应所存在的问题，本课题组提出采用固相化学反应方法并以机械活化作为强化手段来制备纤维素高级脂肪酸酯。项目以不同聚合度的甘蔗渣纤维素、木纤维素和棉纤维素作为原料，不同链长高级脂肪酸为酯化剂，课题组自主研发的高能效搅拌球磨机为固相反应器，研究不同聚合度纤维素的机械活化效果；机械活化强度、纤维素聚合度及酯化剂碳链长度等因素对酯化产物取代度及其取代基分布的影响规律；机械活化作用下固相反应动力学；机械活化对产物结构的影响以及产物性能与其结构特性的内在关系和规律性。通过研究，开发出机械活化固相化学反应法制备纤维素高级脂肪酸酯的新工艺和机械活化固相反应器，获得机械活化作用下纤维素固相酯化反应动力学模型和机理，提出纤维素固相酯化的基础理论，为纤维资源的高效开发利用提供理论依据和技术基础，这不仅有极高的学术价值，而且有重大的经济意义。

本项目系统地研究了不同聚合度纤维素的机械活化效果，弄清机械活化对不同聚合度纤维素形态结构、超分子结构、表面特性等的影响规律；构建了纤维素的机械活化固相酯化反应体系与机械活化强化反应机理，包括熔盐固相催化反应体系和机械活化固相共反应剂反应体系，系统地研究了两种反应体系的机械活化强度、纤维素聚合度和酯化剂碳链长度等因素对酯化产物取代度及其取代基分布的影响规律，机械活化对产物结构的影响以及产物性能与其结构特性的内在关系和规律性。研究结果表明机械活化强化机理为纤维素在机械活化固相反应过程中，由于机械力的剪切、研磨等作用，一方面纤维素被破碎、细化，打断了纤维素内部的氢键连接，使纤维分子链间的作用力减弱，增强其分散性，降低其结晶度，纤维表面碳氧比增大，表面自由羟基含量增多，稳定性下降；另一方面纤维素与酯化剂之间的接触得到改善，各种物料充分混合，试剂更容易渗透到纤维颗粒内部并与处于亚稳态的高活性的羟基或高活性的大自由基相接触进行化学反应，有利于物料之间的能量交换与酯化反应的进行。并针对纤维素原料的特点和不同反应体系的要求，开发出系列机械活化固相反应器及其相应的机械活化固相化学反应法制备纤维素高级脂肪酸酯的新工艺。在此基础上，探索了机械活化固相反应技术应用于淀粉、甘蔗渣、木薯酒糟、木薯渣、木质素等其它多糖高聚物固相改性的效果及酯化产物的应用性能。研究结果为纤维资源的高效开发利用提供理论依据和技术基础。