木质纤维素甲酸水解制备纳米纤维素及溶剂介质机械作用对其疏水表面构筑的机理研究

Owing to its own unique nanostructure and material properties, nanocellulose has great potential in various industrial applications. The cellulose materials used to be sensitive to moisture and lack water resistance. The most optimal solution to this issue is surface chemical modification which usual involves hazardous reactants and complex process. In our previous work, we obtained nanocellulose film with entirely different strength and hydrophobicity via formic acid hydrolysis followed by high-pressure homogenization in different solvents. This project will fabricate nanocellulose film with excellent strength based on this process and study the preparation mechanism. In this project, we will conduct the kinetic study of the formic acid hydrolysis of cellulosic fibers, characterize the products in detail and then explore the reaction mechanism; the comprehensive impacts of the hydrolysis conditions and solvents of the mechanical treatment on the physico-chemical properties and microstructure of nanocellulose and nanocellulose films will be investigated. The structure and property control mechanisms of the nanocellulose and the nanocellulose film will be also studied.This study will be of great importance for the structure controllable preparation, large scale production and applying fields extending of nanocellulose.

纳米纤维素具有独特的纳米结构和材料特性，其在很多领域有着广阔的应用前景。纤维素材料通常对湿度敏感、水抗性差，最常见的解决方法是利用一些反应试剂和复杂的方法对纳米纤维素表面进行化学改性。申请人研究发现木质纤维素经过甲酸水解后，在不同溶剂介质中进行高压均质处理后可以制得物理强度和亲疏水性完全不同的纳米纤维素薄膜。本项目将以此为切入点制备高强度、疏水纳米纤维素薄膜，并对其制备机理做深入研究。本项目主要通过研究甲酸水解木质纤维素反应动力学的研究和对产物的系统表征，探讨其反应机理；解析关键水解过程因素和机械处理过程中不同溶剂介质对纳米纤维素的物理化学性质、微结构及其薄膜性能的影响，揭示纳米纤维素结构及其薄膜性能的调控机制。本研究对纳米纤维素的结构可控制备、规模化生产以及应用领域的拓展具有重要意义。

纳米纤维素具有独特的纳米结构和材料特性，其在很多领域有着广阔的应用前景。绿色的提取纳米纤维素方法一直是相关领域的研究重点，此外解决基于纳米纤维素制备材料的湿度敏感、水抗性差的问题也是人们长久以来关注的议题。本项目以可回收的甲酸为切入点进行水解，通过后续溶剂环境下机械处理制得独居特色的纳米纤维素。研究中，我们对一步甲酸水解法同时提取CNC、CNF和CF制备体系的反应动力学、水解机制以及产物的各项物化特性做了系统研究。通过保留天然纤维自有木质素的方法，成功制备了拉伸强度255 MPa和湿强度84 MPa高性能紫外吸收纤维素纳米纸。在前期研究基础上，对甲酸法制得的纳米纤维素在多个领域的应用进行了有益的探索，并过得了一系列卓有成效的效果。我们利用掺杂壳聚糖的方法制备了快速响应水分子诱导形状记忆纤维素纳米薄膜；利用CNF填充制备了可控孔径的高稳定性锂离子电池隔膜；首次采用副产物纤维素甲酸酯作为还原剂制备了抗菌性良好的银纳米颗粒；利用木质素粘合力和纤维素吸湿膨胀效应制备了多重响应纳米纤维素异质驱动薄膜。本项目的顺利完成对纳米纤维素的绿色制备、结构可控理论、规模化生产以及功能化应用的拓展具有重要意义。