基于机械力化学作用的纤维素功能材料纳米结构体系的定向设计与构筑

将机械力化学技术应用于纳米纤维素的制备及其功能化的定向设计，在制备纳米纤维素时还同步实现纳米纤维素的可控表面化学修饰，在分子水平上对纤维素纳米结构进行设计与剪裁，实现纤维素功能材料体系于纳米尺度范围内的定向合成、原位制备与组装，在此基础上构筑创制出纤维素基先进功能材料。课题旨在揭示在机械力化学作用下纤维素功能材料纳米结构的选择性构筑及合成反应的规律，发展可控制造纤维素材料纳米结构的定向设计与构筑的理论与方法；深入理解在机械力化学作用下纤维素功能材料体系中表界面结构与功能之间的关系，以及体系中产生机械力、热力及化学力作用的协同效应，从原理上提出提高功能体系性能的新方法，为研究开发性能优异的纤维素基先进功能材料提供新思路与理论基础。

目前纳米纤维素及其相关领域已成研究热点，主要重点难点为(1)高效制备、分离纳米纤维素；(2)纤维素纳米结构的定向设计与表面选择性化学改性；(3)新型纤维素基先进功能材料的创制。目前主要是采用化学法、生物法、物理法分离制备纳米纤维素，但是这些方法均存在一些缺陷。如设备腐蚀大，环境负荷大；或者耗时长、成本高；或者设备复杂、能耗较高等不足。.本项目研究采用机械力化学方法，辅以化学试剂，使纤维素在机械力、热力与化学的多重作用下，催化激发化学反应发生，使得在制备纳米纤维素的同时还同步实现纳米纤维素的表面化学修饰，创制出具优异性能的纤维素基先进功能材料。.项目研究采用机械力化学方法制备的纳米纤维素结晶度高，富含活性基团，同时原位复合制备了产物结构均一、性能可控的功能化纤维素衍生物材料，制备过程耗时少、得率高。重要结果如下：.（1）分别采用常规化学法、以磷酸为助剂以及磷酸锆辅助催化磷酸水解的机械力化学法制备纳米纤维素。与无机械力化学作用相比，机械力化学法可以适当降低磷酸浓度，同时制备出的纳米纤维素得率更高。以磷酸为助剂以及磷酸锆辅助催化磷酸水解的机械力化学法制备纳米纤维素对纤维素降解损伤小，操作简单，得率高，是绿色生态的制备方法。.（2）基于“一锅法”反应机理，在无有机溶剂下，使纤维素在机械力、热力与化学力的协同作用下，不经中间体的分离，直接获得马来酸酐酯化修饰纳米纤维素。反应过程中无有机溶剂使用、反应条件温和。机械力化学技术可高效、绿色地实现纤维素的纳米化与功能化修饰。.（3）在机械力化学作用下，基于Fischer酯化反应原理，纤维素降解与酯化反应同步进行，实现一步法制备功能化修饰纳米纤维素。机械力化学处理在纤维素降解和酯化反应中起着重要作用，可以有效解离纤维素无定形区，并且有利于试剂渗入纤维素内部，促进反应进行，研究可为研发高效、易操作的功能化修饰纳米纤维素方法提供新思路。.课题揭示了在机械力化学作用下纤维素功能材料纳米结构的选择性构筑及合成反应的规律，发展可控制造纤维素材料纳米结构的定向设计与构筑的理论与方法；深入理解在机械力化学作用下纤维素功能材料体系中表界面结构与功能之间的关系，以及体系中产生机械力、热力及化学力作用的协同效应，从原理上提出提高功能体系性能的新方法，为研究开发性能优异的纤维素基先进功能材料提供新思路与理论基础。