清华危岩教授课题组《Carbohyd. Polym.》: 具有超高溶解度和可调控纤维素结构的多功能纤维素溶剂

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纤维素是世界上含量最多、分布最广的的生物高分子之一。为了将纤维素加工成功能材料，通常需要使用纤维素溶剂。然而，现有的纤维素溶剂存在纤维素溶解度低、价格高昂、环境污染严重或者对纤维素聚合度要求苛刻等问题。浓酸能溶解纤维素的现象早已被发现。特别是浓硫酸具有价格低廉且能溶解大部分其它化学物质的特点，为优良的候选纤维素溶剂。然而，用浓硫酸溶解纤维素存在溶解度低及纤维素降解严重的问题。因此，纤维素经浓硫酸溶解后几乎不具有实用性。

基于以上背景，本研究开发了低温两步浓硫酸法纤维素溶解体系（图1）。该体系具有极高的纤维素溶解度（>300 g/L），且纤维素溶解速率快、再生纤维素得率高（>0.92 g/g）、再生过程中纤维素可成型（图2）。带来这些优良特性的原因主要是在低温下，较低浓度的浓硫酸对纤维素具有很高的亲和性，而高浓度浓硫酸与纤维素直接接触时亲和性很小（图2D）。

图1. 纤维素在低温两步浓硫酸中的溶解过程示意图

图2. 纤维素在低温两步浓硫酸中的溶解及再生。（A）棉纤维素在溶解前的偏光显微照片，（B）棉纤维素在两步法浓硫酸中溶解后的偏光显微照片，（C）300 g/L的棉纤维素溶液，（D）0 ­°C时 68% 浓硫酸与纤维素的接触角，（E）纤维素在不同温度的两步浓硫酸中的溶解度，（F）不同条件下再生纤维素的得率。

通过使用低温两步浓硫酸法，再生纤维素的聚合度与性质高度可调。其中硫酸的起始浓度、加入前纤维素的温度、溶解过程温度、纤维素再生温度、再生试剂以及溶液存放时间均会影响再生纤维素的聚合度（图3）。再生纤维素的聚合度为起始纤维素的4%-90%。

图3. 不同过程参数对再生纤维素聚合度的影响。（A）棉纤维素的初始聚合度，（B）起始硫酸浓度对再生纤维素聚合度的影响，（C）加入前纤维素温度对再生纤维素聚合度的影响，（D）溶解温度对再生纤维素聚合度的影响，（E）再生温度对再生纤维素聚合度的影响，（F）存放时间对再生纤维素聚合度的影响。

使用该纤维素溶解体系，可制备超高强度纤维素水凝胶、高强度纤维素丝、各种均相纤维素基复合材料、纤维素寡糖、甚至对纤维素开展均相化学改性（图4）。

图4. 低温两步浓硫酸的功用。（A）制备超高强度纤维素水凝胶，（B）制备高强度纤维素丝，（C）制备各种均相复合物，图为聚集诱导发光染料@纤维素无相复合物，（D）制备纤维素寡糖。

相关研究成果近日以“Super solvent of cellulose with extra high solubility for tunable cellulose structure with versatile application”为题，在线发表于Carbohydrate polymers（DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.119917）。清华大学博士后陈根强为第一作者，危岩教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119917

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