“一步法”自组装对纤维素纤维材料性能影响的机理研究

Assembly of polymers and nanoparticles at the molecular level is an essential tool to obtain multi-functional units and multiple hierarchical structures, and is also an important research strategy to control surface properties of fiber materials. Generally, one specific interaction is employed as the exclusive driving force of the assembly process, which can be electrostatic attraction, hydrogen bonding, coordinate bonding, etc. However, it is no doubt that polymer and nanoparticle assembly based on multiple independent interactions can provide more flexibility in controlling complex nanoparticle aggregates by one-step method and improving surface properties of multilayer ultrathin films. The objective of this project is to prepare a series of polymers containing bi-functional groups, facilitating one-step self-assembly of polymer thin films/nanoparticles with other specific polymers or material surfaces by multiple independent interactions (boronic acid/polyols, etc.). Moreover, we will control the self-assembly structure through a variety of environmental response factors, improve the performance of cellulose fiber materials, and finally reveal the sensitivity of film structures and also the influence and mechanism of properties of cellulose fiber materials related to the details of molecular structures. Therefore, this proposal has important theoretical significance and application potential to the development of surface functionalization of cellulose fiber materials and further application.

分子级别的高分子聚合物和纳米微粒自组装是实现具有多功能单元及多层次有序结构的重要工具，是控制纤维材料表面性能的一种非常重要的研究方法。通常，某一种特定的相互作用力会被用于自组装过程的唯一驱动力，例如静电力、氢键、配位键等。然而，基于多种独立相互作用力共同参与下的高分子和纳米微粒自组装无疑会对“一步法”控制复杂纳米微粒聚集体结构以及改善多层超薄膜表面功能提供更多的选择性。本项目拟制备一系列含有双官能团结构的高分子聚合物，该类聚合物可以通过硼酸/多醇相互作用等多重驱动力与其他特定的聚合物或材料表面实现多层高分子薄膜以及纳米微粒的一步自组装。同时，通过多种环境响应因素可以对自组装结构本身进行有效地控制，从而改变纤维素纤维材料的性能，进而可以揭示自组装体结构的敏感性以及分子结构细节对于纤维素纤维材料性能的影响与机理。这对于纤维素纤维材料表面功能化技术的发展以及深入应用具有重要的理论意义和现实价值。

基于多种独立相互作用力共同参与下的高分子和纳米微粒自组装对于“一步法”控制复杂纳米微粒聚集体结构以及改善多层超薄膜表面功能方面可以提供更多的便利和选择性。本项目首先利用水溶性耦合试剂N-（3-二甲氨基丙基）-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）在常温下将苯硼酸官能团（PBA）以形成酰胺键的方式接枝到壳聚糖、聚乙烯胺（PVAm）以及生物蜡微球上，从而成功制备了一系列含有苯硼酸官能团的高分子和生物蜡乳液。随后，利用静电、氢键以及可逆硼酸酯等多种相互作用力将具有双重功能结构的高分子化合物或表面修饰过的生物蜡纳米微粒在硅板或纤维素膜表面上进行可控自组装。最后，我们尝试了多重独立相互作用力驱动下的“一步法”自组装，并对其结构和性能进行了较为详细的表征和分析研究。本研究重点引入并探讨了硼酸/多醇驱动力参与下的自组装。研究中通过调整体系pH值、盐离子浓度等影响因子，可以实现对自组装体结构的有效控制，从而可以实现pH值作为关键调控开关的可逆吸附，还可以设计并控制自组装体的表面电荷种类与大小、表面形态以及薄膜厚度等特征，进而有效地改善了基体材料的水蒸气透过率（WVTR）、亲疏水性以及机械性能等重要指标。该研究揭示了自组装体结构的敏感性以及分子设计细节对于纤维素纤维材料性能的影响与机理。该内容丰富并进一步发展了我们前期提出的可控自组装理论和方法，对于可控自组装研究在造纸、纺织以及特种涂层等诸多领域的实际应用提供了有力的理论支持。