纤维素材料离子液体增塑注射成形新工艺与机理

Cellulose is a kind of biodegradable natural polymer which is maximum yielded on the earth. It is considered as one of the materials to replace the petrochemical synthetic polymers. However, thermoplastic processing for cellulose is extremely difficult owing to its linear supramolecular structure. Consequently the scope of cellulose’s application is limited. Inspired by the finding that the ionic liquid promotes the dissolution and processability of cellulose, this project proposes a new injection molding technology for cellulose after plasticization by ionic liquid. The forming method attempts to manufacture complex cellulose products with submicron pore structures. This study focuses on the plasticization principle and the rheology characterization of the ionic liquid, the cellulose molecular chain relaxation mechanism and controlling of product warpage in the removal process of the of ionic liquid after demolding, the evolution of aggregation structures and microstructure morphologies and their influences to the product performances. Based on the aforementioned works, the technological foundation studies are carried out, and typical products would be manufactured. The success of the project would provide a possible approach of thermoplastic processing for complex cellulose products, which greatly expands the application scope of the cellulose material. It is also significant for finally finding resolutions for reliance on the current petrochemical synthetic polymers from non-renewable petroleum resources and the environmental problem it brings.

纤维素是地球上产量最大、可生物降解的天然高聚物材料，被认为是未来取代石化合成高聚物的主要原料之一。但受其线性超分子结构限制，难以热塑加工是长期制约其应用的瓶颈。基于离子液体在促进纤维素溶解与加工性方面的新科学发现，本项目提出利用离子液体增塑实现纤维素注射成形的新工艺，试图制造出具有亚微米孔隙结构的纤维素复杂工程产品。针对新工艺，重点研究离子液体的增塑机理与加工流变特性表征、成形后离子液体扩散去除过程及其导致的纤维素分子链松弛与产品变形、纤维素聚集态结构与相形态演变规律及对产品性能的影响。基于上述工作，结合工艺基础研究，总结工艺调控理论与方法，成形出典型产品。项目成功后，可为纤维素热塑成形复杂工程产品提供一种可行途径，将极大扩展纤维素材料的应用范围，对最终解决现有石化合成高聚物对不可再生石油资源的依赖，以及其不可降解性带来的环境问题具有重要意义。

项目系统开展了纤维素材料离子液体增塑注射成形新工艺与机理研究，取得了如下研究成果：1）建立了一种离子液体增塑纤维素的热塑性加工方法体系，包括材料制备离子液体增塑纤维素注射/热压成形、萃取与产品干燥工艺。离子液体用量降低到50%，远低于现有纤维素湿法加工水平（约90%），并实现了离子液体的接近100%效率的循环使用。建立了离子液体增塑纤维素的剪切流变特性，探索出了优化的离子液体含量、混料温度、剪切力、成形温度、萃取方法、干燥方法等工艺方案。2）探明了离子液体增塑纤维素热塑性加工机理、纤维素微观结构演变规律、产品成形/成性机制等关键科学问题。提出了微晶纤维素表面局部溶解理论，为熔融温度高于降解温度的生物质材料提供了一种新的加工策略；揭示了表面局部溶解-分子链重新连接加工机理，以及加工过程中纤维素晶型保持机制，首次热塑加工制备出I型晶体结构的全纤维素制品。3）制备出高强度、高透明性、高热稳定性的全纤维素制品，拓展了纤维素的应用范围。制备出抗拉强度73.6MPa的I型纤维素薄膜，显著高于木材、聚乳酸、再生纤维素等聚合物材料，透光性超过80%，具有显著优势。开发出全纤维素基底的绿色叉指电极器件，灵敏度高于聚酰亚胺基材，展示了应用前景。.项目执行期间发表学术论文15篇，其中SCI收录论文13篇，中科院一区论文7篇，申请国家发明专利4件，其中授权2件，项目负责人以第2完成人获得国家科技进步二等奖1项、中国机械工业技术发明一等奖1项。.项目执行期间培养博硕士研究生10人，其中1人获得国家留学基金资助；培养青年教师3人，项目负责人晋升教授，2019年被评为教育部青年长江学者，一名学术骨干2019年被评为湖北省“楚天学者”，一名学术骨干晋升副教授。