《纖維素的氫鍵網路在低溫下的拆分與重組》是依託武漢大學，由呂昂擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：纖維素的氫鍵網路在低溫下的拆分與重組
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：呂昂
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對纖維素在水體系低溫溶解的現象和溶解機理，基於分子間氫鍵網路拆分和重建的原理探索一系列有機、無機添加劑與纖維素的相互作用，弄清添加劑加入後纖維素的氫鍵網路結構、微觀形態和溶液性質的變化，尋找纖維素氫鍵網路結構改變影響纖維素微觀形態進而導致纖維素巨觀溶液性質變化的科學規律。利用核磁共振、紅外光譜、小角中子散射、分子模擬等方法研究添加劑與纖維素相互作用的機理及纖維素氫鍵網路結構的變化。利用光散射、原子力顯微鏡、透射電鏡等手段，研究纖維素分散狀態和微觀形態的變化。利用流變學手段結合相應理論測量纖維素溶液的濃度區間，描述其溶液-凝膠轉變，測量溶液的穩定性。本項目可為尋找出更強的纖維素溶劑提供科學依據，並奠定低溫溶解的理論基礎。同時，可為纖維素在NaOH/尿素水體系中低溫溶解並進行紡絲和制膜的工業化提供重要數據。因此本工作不僅具有科學和技術價值，而且具有套用前景。
結題摘要
通過對纖維素低溫溶解的研究，我們闡明了纖維素與溶劑小分子通過相互作用拆分纖維素的分子間和分子內氫鍵網路導致纖維素溶解的過程，並揭示了纖維素氫鍵網路的變化對纖維素微觀形態和溶液性質的影響。尿素與氫氧根離子在低溫下通過氫鍵作用締合，有效的增強了氫氧化鈉與纖維素的羥基作用所形成的複合物的結構穩定性，拆分了纖維素的分子間和分子內氫鍵網路，導致纖維素鏈的分散，並使纖維素鏈以剛性鏈構象存在。更強的分子間相互作用（鋰離子與尿素和纖維素的相互作用比鈉離子更強；硫脲與氫氧化鈉的相互作用比尿素更強）構建更穩定的纖維素複合物結構，更有效的拆分和破壞纖維素的氫鍵網路，促進更分子級的分散，穩定纖維素的微觀形態，抑制其自聚集並提高溶液的穩定性，在合適的條件下通過氫鍵網路的重建還可構建更緻密均一的結構，提高再生材料的性能。我們首次開發了新型助溶劑硝酸鋅，能夠有效的強化氫氧化鈉/尿素對纖維素氫鍵網路的拆分，促進纖維素的分子級分散，提高溶解度和溶液穩定性，並改善再生材料的性能。在此基礎上首次開發了氫氧化鈉/硝酸鋅體系，經冷凍-解凍可溶解纖維素，有望套用於纖維素材料的加工和製備。基於強相互作用拆分纖維素氫鍵網路的理論，我們成功提高了纖維素的溶解溫度，實現了纖維素在氫氧化鈉/硫脲中的室溫溶解，源於氫氧根離子-硫脲的強相互作用能夠與纖維素作用形成室溫穩定的複合物，拆分纖維素的氫鍵網路。此外，我們還闡明了甲殼素在氫氧化鈉/尿素中的分子間相互作用：氫氧化鈉與尿素在低溫下通過氫鍵作用與甲殼素形成複合物結構，拆分甲殼素的分子間和分子內氫鍵網路，導致甲殼素分子的分散和溶解。甲殼素在低溫溶劑中呈現剛性的蠕蟲狀鏈構象，氫鍵網路的重建導致甲殼素鏈平行排列聚集形成納米纖維結構。我們還揭示了甲殼素和殼聚糖在鹼溶液中的溶解行為由乙醯氨基和氨基決定，乙醯氨基的羰基與鹼金屬離子作用而氨基與氫氧根離子作用，導致乙醯度較高的甲殼素與氫氧化鉀的相互作用最強而溶解，而乙醯度較低的殼聚糖與氫氧化鋰的相互作用最強而溶解，深化了我們對氫鍵網路拆分和重建的理解。本項目闡明了分子間相互作用對纖維素分子內和分子間氫鍵拆分的影響，並揭示了纖維素氫鍵網路與其微觀形態和巨觀溶液性質的關係，可為新型纖維素水溶劑體系的開發提供理論依據，實現難溶性天然高分子的綜合利用，並擴展高分子的溶解理論，因此不僅具有科學和技術價值，也具有套用前景。
