设计合成氢键润滑剂以实现超倍拉伸制备高强高模纤维素纤维

Preparation of cellulose fibers with high strength and modulus is a very important research direction in the field of cellulose science. According to the classic high strength and modulus fiber model and cellulose molecular structure, we proposed developing high performance cellulose fiber from the perspective of flexible chain, with ultra-drawing to improve the orientation of cellulose chains. In order to increase the flexibility of the cellulose, hydrogen bond macro-lubricants were designed and synthesized to weaken the hydrogen bond between cellulose chains. Glucose was chosen as the hydrogen functional groups in the macro-lubricant which had polyolefin or polyether chains with fine flexibility as the backbone. Dendritic and linear macro-lubricants were synthesized and used in the wet-spinning of high molecular weight cellulose fiber. The effect of lubricant will be evaluated to reveal the mechanism of hydrogen bond behavior between these macro-lubricants and cellulose chains. Hopefully, the hydrogen bond lubricant proposed here could illuminate a potential way to fabricate new cellulose materials and promote the development of hydrogen bond theory.

制备高强高模纤维素纤维是纤维素科学领域的重要研究方向。该青年科学基金项目拟从纤维素“柔性链”角度出发，通过分子设计，合成制备纤维素氢键润滑剂，用于高分子量纤维素的直接溶液纺丝，增加纤维素链的柔性，通过超倍拉伸提高分子链的取向及伸直链结构的含量，得到高强高模纤维素纤维。通过对纤维素氢键机理和柔性链超倍拉伸模型的研究，本项目拟选用葡萄糖环作为氢键基团，干预纤维素的氢键重组，选用柔性的聚烯烃和聚醚分子链作为大分子骨架，合成线形、树形两类大分子氢键润滑剂，应用到高强高模纤维素纤维的制备中，考察各自的效果，并探索氢键润滑剂与纤维素链的氢键作用，和它在拉伸过程中对纤维素分子链聚集态的影响，并希望能够推动高性能纤维素材料及其氢键理论的发展。

纤维素基纤维作为一种生态绿色纤维，自诞生以来一直受到人们的青睐。本项目首先以离子液体作为纤维素基材料氢键改性剂，对其化学结构、聚集态结构、热稳定性、流变性能等进行了充分考察后进行了纺丝，并对该体系的可纺性以及所得纤维结构和性能之间的关系进行了研究。结果表明，离子液体与纤维素基材料之间具有良好的相容性，离子液体的加入能够有效打破纤维素分子链之间的氢键，减低纺丝体系的粘度，使得加工窗口得以拓宽，改善可纺性，同时改性的纤维素基纤维能够通过拉伸得到更高的取向度和结晶度，纤维的拉伸强度和模量都更高。.本项目根据离子液体的结构特点，设计合成了一种新型的以聚酯为分子骨架的咪唑类线型聚离子液体。实验中用邻苯二甲酸酐和环氧氯丙烷开环共聚合成了一种线性聚酯（PEP），将N-甲基咪唑（MIM）引入到聚酯高分子中合成出侧链带有MIM+/Cl-离子基团的聚离子液体（[PEP-MIM]Cl），并通过在水中进行的阴离子交换反应进一步合成四氟硼酸根（BF4-）、十二烷基苯磺酸根（DBS-）为阴离子的聚离子液体[PEP-MIM]BF4和[PEP-MIM]DBS。利用1H-NMR、 FTIR、TG、DSC、GPC对聚酯及三种离子液体的化学结构和热性能进行了表征。此外，溶解性测试表明阴离子对聚离子液体的溶解性质影响较大，其中，聚离子液体[PEP-MIM]DBS不溶于水但溶于氯仿。.该类聚离子液体于纤维素基材料具有很强的氢键相互作用，可作为纤维素纳米晶的相转移剂将分散在水中的纤维素材料转移至氯仿相，并且，随着聚离子液体含量的逐渐增加，纤维素纳米晶的转移量也逐渐增加，直至全部转移至氯仿相中，能够改性提高纤维素纳米晶的疏水性。使纤维素基材料稳定分散在有机溶剂如氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、乙腈、DMF、DMSO等。研究通过固体核磁碳谱、广角X射线衍射证明，纤维素纳米晶的化学结构和结晶结构没有被破坏，说明聚离子液体与纤维素基材料之间是非共价相互，未发生化学反应。本项目利用离子液体和聚离子液体提高纤维素的可加工型，拓展了纤维素材料的应用领域，开发了纤维素材料的应用价值。