CO2控制的纤维素溶解与再生机理及新材料构建研究

One of the most important research directions in the subject of macromolecular science is the exploration of novel theories and novel technologies for biopolymers processing and conversion into eco-friendly materials. Bearing the key issues of materialisation of cellulose in mind,this project is going to develop novel non-derivatized or CO2-derivatized method for cellulose dissolution on the basis of the reversible reaction between alcohols and CO2 in the presence of organic bases.The dissolution mechanism will be elucidated by in-situ FT-IR, in-situ NMR technologies, and so on; the rheology of the as-prepared cellulose solution, aggregation structure and proper of cellulose chain in the solution will be studied. The self-assemble behaviour during the regeneration and material formation process, and the relationship of material structure and properties will also be investigated.With the cellulose solution, the reactivity of cellulose, cellulose coupled CO2 will be investigated towards the design and synthesis of novel cellulosic eco-friendly materials, and the relationship of the material structure and properties will also be identified.On the basis of the experimental achievements, new theory for the design of solvents for biopolymers and new dissolution mechanism will be proposed;tunable transformation mechanism of cellulose crystalline structure induced by solvents or reversible reactions will be proposed; new theory and technologies will be developed for the regeneration of cellulose in the form of fiber, gel and membrane according the characteristic of the new cellulose solution; new controllable and efficient methodologies for the synthesis of various cellulose esters will be developed.The findings in this project also provide new insight for the integration of biomass and CO2 utilisation.The successful enforcement of this project will provide new knowledge in cellulose chemistry and CO2 chemistry, and will promote the use of cellulose, also further contribute the harmonious development of society . Therefore,the project has both of significant scientific and social value.

探索天然高分子加工新原理与新工艺，构建生态环境友好材料，是高分子科学学科重要的发展方向。围绕纤维素材料化过程中的关键科学问题，本项目拟基于有机碱、羟基化合物与CO2之间的温和可逆反应原理，构建纤维素非衍生与纤维素CO2衍生溶解新体系；通过原位红外、核磁等技术研究纤维素溶解发生机理；研究纤维素溶液的流变学、纤维素链结构与聚集态结构；研究纤维素再生、成型原理及纤维素链自组装行为及材料构效关系；研究纤维素反应、纤维素与CO2耦合反应规律及材料构效关系。提出纤维素溶解新机理及均相衍生化介质构建新理论；提出纤维素晶体结构诱变新机制；建立纤维素溶解加工与成型新理论与新方法；建立可控的、高效的纤维素酯材料制备新方法、新理论；建立纤维素与CO2综合利用新模式与新理论。该项目的成功立项与实施，将为纤维素可持续性高效利用，为我国经济与资源、环境协调发展提供技术支撑，研究成果具有重要的科学意义与社会效益

纤维素是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子资源与材料。每年植物通过光合作用产生数以千亿吨的纤维素，可以说纤维素是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源。由于自身聚集态结构的特点（较高的结晶度、分子间和分子内存在强氢键作用），纤维素不能熔融，也很难溶解于常规溶剂，这极大地限制了纤维素材料的开发与利用。围绕这一难题，本项目具体研究内容如下：(1)发展了基于CO2基溶剂的纤维素溶解新方法，系统研究了纤维素在CO2基可逆离子液体溶剂、有机功能催化的纤维素CO2衍生化溶解行为及溶解机理，同时研究了两种纤维素新溶液的流变性能，研究发现，在50 oC, 3h，PCO2=1.0 MPa条件下，纤维素溶解能力都>8 wt%，纤维素溶解能力随着其分子量的增加而降低;(2)基于纤维素在两种CO2基溶剂中的溶解，我们发展了纤维素膜及气凝胶制备技术，系统研究了纤维素溶解、再生过程中氢键网络重构、凝固浴影响及膜材料结构与性质之间的关系，研究结果显示，两种膜材料都具有很好的光透过率，CO2基可逆离子液体溶剂制备的纤维素膜拉伸强度达55MPa, CO2衍生化溶解体系制备的膜拉伸强度达90 MPa; 纤维素气凝胶比表面积>200 m2/g；(3)系统研究了CO2衍生化溶解体系，超强有机碱原位有机功能催化纤维素的转酯化反应、纤维素引发的链开环聚合反应制备新型纤维素酯材料，如纤维素苯甲酸酯、纤维素接枝聚己内酯、纤维素乙酰丙酸酯等; (4) 系统研究了CO2衍生化溶解体系，直接利用纤维素与CO2制备具有不同结构纤维素碳酸酯及混合酯材料，实现了取代度及材料结构与性能的调控；创新了纤维素碳酸酯材料的合成方法；(5)研究了两种溶剂体系中纤维素溶解与再生过程中的氢键网络重构，耦合酶解技术，发展了新型纤维素高效制糖方法。本项目以纤维素溶解为突破口，构建新型CO2基溶剂体系的纤维素均相衍生平台，建立了纤维素均相加工与衍生新策略、新理论，为新型天然高分子溶解技术的开发提供指导；建立纤维素与CO2综合利用理论，为实现节能减排、发展循环经济提供范例、理论与技术支持。