基于分子内交联改性的半纤维素与木质纤维结合的界面作用机理

Hemicelluloses are natural biopolymers abundant in lignocellulosic resources, which have the potential of substituting petroleum-based polymers for paper coating binders. However, hemicelluloses-based paper coating binders are still facing the problems of high viscosity, high hygroscopicity, and low adhesive strength. In order to give hemicelluloses the properties suitable for modern paper coating applications, in this project, hemicelluloses will be modified through intra-molecular crosslinking based on Borch reduction reaction and a continuous addition technique. By means of systematic intra-molecular crosslinking structure control and analysis, the influencing mechanism of intra-molecular crosslinking on rheology, film property, adhesive property, and hydrophobicity of hemicelluloses will be investigated. Furthermore, from an interfacial chemistry aspect, the properties and control mechanisms of the interface between intra-molecular crosslinked hemicelluloses coatings and paper fibers will also be investigated. The research of this project will introduce a novel modification method to hemicelluloses and may be useful in promoting the application of hemicelluloses as a sustainable polymeric material in the near future.

半纤维素作为一种可再生、易降解、储量大的天然高分子，具有替代造纸涂布工艺中的石油基合成胶黏剂的巨大潜能，然而仍面临着黏度大、粘结强度低、亲水性强等问题。本项目以制备半纤维素基高性能纸张涂布胶黏剂为目的，提出分子内交联改性的新思路，并基于Borch还原反应原理，采用连续滴加法，对半纤维素进行高产率下的分子内交联改性。分子内交联的高分子化合物由于自身聚合，回转半径变小，具有较低的黏度以及独特的材料性质，本项目将针对半纤维素着重开展相关的机理研究。首先，通过系统性的交联结构分析与调控，深入研究半纤维素分子内交联结构对其流变性、成膜性、亲水性和粘结性等性质影响的理化机制。其次，重点从界面化学的角度，通过对结合界面的微观形态以及化学键作用的剖析，明确分子内交联半纤维素与纤维结合的界面作用机理。本项目的实施，将开辟半纤维素功能化改性的新途径，并将推动半纤维素在未来可降解及可再生新型高分子材料中的应用。

半纤维素作为一种可再生、易降解、储量大的天然高分子，具有替代造纸涂布工艺中的石油基合成胶黏剂的巨大潜能，然而仍面临着黏度大、粘结强度低、亲水性强等问题。本项目以制备半纤维素基高性能纸张涂布胶黏剂为目的，基于Borch还原反应原理，采用连续滴加法，对半纤维素进行高产率下的分子内交联改性，使其分子的回转半径变小，以期具有较低的水溶液黏度以及独特的材料性质。本项目通过解决分子内交联结构对半纤维素流变性及粘结性的影响机制，以及分子内交联半纤维素与纸张纤维结合的界面特性及影响机理这两个关键科学问题，完成了预期研究内容，实现了研究目标。本项目实施过程中取得了以下的一些主要研究成果：.（1）在对比研究未改性半纤维素性能的过程中发现，分子量的高低对半纤维素水相成膜性能的影响较小，而较高的支链度（>0.150）对成膜性具有积极影响，原因在于支链度小的半纤维素易于形成结晶结构；而一旦其成膜后，其力学性能提高则需要分子结构具有较少的支链结构。.（2）基于Borch还原反应原理，使用长链胺对氧化半纤维素进行胺化改性，结果发现取代度的增加以及烷基碳链长度的增加有利于提高还原胺化改性半纤维素的乳化性能，与一些石油基乳化剂的乳化性能相当。.（3）采用连续滴加法，使用戊二醛作为交联剂，对半纤维素进行极稀浓度下的分子内交联。研究发现，分子内交联与分子间交联会同时发生，分子内交联会造成分子的回转半径变小，使得通过凝胶渗透色谱仪测量的表征分子量变小，因而当表征分子量小的时候说明分子内交联占主导地位。随着半纤维素分子内交联程度的提高，其水溶液的黏度不断下降，其薄膜的力学性能也得到进一步提高，提高达130%。将内交联的半纤维素涂布于纸张表面后，其与纸张表面形成缩醛或半缩醛形式的共价结合，涂布后的纸张具有较好的抗张指数，与聚乙烯醇涂布的纸张相当，仅低不到10%，同时内交联半纤维素涂布纸张的疏水性能也改善明显。.本项目的实施，将开辟半纤维素功能化改性的新途径，并将推动半纤维素在未来可降解及可再生新型高分子材料中的应用。