水體系低溫溶解纖維素僅需2分鐘

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水體系低溫溶解纖維素僅需2分鐘

2017-4-10

來源:未知

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用尿素、氫氧化鈉和水作為溶劑，預冷至-12℃，將極難溶解的纖維素放進去，兩分鐘便化為粘液，頑固的天然高分子就這樣被“征服”了。武漢大學化學學院教授張俐娜帶領的研究團隊通過開發這種“神奇而又簡單”的水溶劑體系，敲開了纖維素科學基礎研究通往纖維素材料工業的大門，也捧回了國際上纖維素與可再生資源材料領域的最高獎。

　　一直致力于生物質資源天然高分子材料科學基礎和應用研究的張俐娜帶領她的團隊突破了用有機溶劑加熱溶解的傳統方法，提出一種水體系低溫溶解高分子的“綠色”方法和新概念，將棉短絨、蔗渣、蝦殼、蟹殼等農業廢棄物轉變為有實用價值的新材料。通過這種方法，廢棄物可以變身為舒適的面料、可降解的薄膜、日用品和生物醫學材料等。與傳統的溶解技術相比，纖維素低溫溶解理論究竟“綠色”在哪里?對紡織行業的影響有多大?對此，本報記者對張俐娜教授進行了專訪。

　　-12℃ 2分鐘最快溶解速度

　　“我國目前生產人造絲和玻璃紙使用的粘膠法需要大量使用二硫化碳，這給環境造成了嚴重的污染。我們發明了一種新的纖維素溶劑-7%氫氧化鈉(NaOH)/12%尿素水溶液。該溶劑冷卻到-12℃時，能迅速溶解纖維素(其分子量在1.2×105以下)，溶解時間僅需2分鐘，達到纖維素歷史上最快的溶解速度。我們用變溫FT-IR光譜、動態和靜態光散射(LLS)、透射電鏡(TEM)、X-射線衍射(XRD)和15N-及13C-NMR研究了纖維素溶解過程和低溫溶解機理?！睆埨冉榻B說。

　　他們用實驗證明，NaOH水合物很容易與纖維素形成氫鍵而直接連結到纖維素分子鏈上，形成以尿素為主體包合纖維素-NaOH客體的蠕蟲狀包合物。這種由氫鍵驅動的大分子和溶劑之間自組裝形成的復合物在低溫下處于高度穩定狀態。由此得出，纖維素在低溫下溶解是由溶劑小分子(氫氧化鈉、尿素、水)和纖維素大分子之間動態自組裝引起，這不僅拓寬了高分子溶解理論，而且提出了低溫溶解的新概念。在水體系中，低溫溶解無任何化學物質揮發，因此這是清潔的生產過程。

　　可制備多種纖維素制品

　　低溫溶解后的纖維素溶液如何得到更好的應用?這恐怕是企業最為關注的話題。張俐娜和她的團隊也就其實用性展開了深入研究，新型纖維素絲、纖維素膜、纖維素磁性材料、纖維素水凝膠的研發成功，為纖維素科學的基礎研究走上材料工業化道路打下了堅實的基礎。

　　“利用這種纖維素溶液，我們通過小型中試設備成功紡出新型再生纖維素絲。它具有圓形截面(類似天絲)，以及光滑的表面和優良的力學性能，其抗張強度已接近商品粘膠絲，工業化生產優化設備后可以大大提高絲的強度?！睆埨雀嬖V記者，這種無污染、成本低廉、生產周期短的生產再生纖維素絲的新方法，有望取代目前污染嚴重的粘膠法。

　　同樣，張俐娜的團隊用這種纖維素溶液制備出透明膜、熒光膜和發光膜。她表示，基于纖維素水體系的親和性，堿土鋁鹽等發光無機粒子可均勻分散在纖維素水溶液中。同時，膜成型后該無機納米粒子可牢固地埋在纖維素基底中形成發光膜，它在日光照射10分鐘后，可在黑暗中放光10小時，是極具前途的信息材料。這些透明膜和熒光膜在土壤中可完全生物降解，未來同樣可以作為環保的包裝和特種包裝材料。

　　“基于纖維素溶解度對分子量和溫度的依賴性，我們還制備出納米纖維素晶須增強的再生纖維素膜。這種膜的強度高達157MPa，而且具有良好的生物可降解性?！睆埨妊a充道。

　　利用纖維素絲或膜在濕態下的多孔結構，張俐娜的團隊創建了微納孔穴原位合成無機磁性納米材料的新途徑。在濕態纖維素絲中通過原位合成制備出含氧化鐵納米粒子的磁性纖維。該磁性纖維素絲具有優良的力學性能、吸收紫外線的能力以及超順磁性。

　　特別是在600℃下將這種磁性纖維素絲煅燒后，可制出純的氧化鐵纖維狀納米材料，由于其優良的電化學活性和很高的釋放電量能力，氧化鐵纖維狀納米材料可在電、磁功能材料領域發揮作用。

　　此外，纖維素鏈具有半剛性特點，“我們利用它作為凝膠孔洞的壁，構建高強度、大孔的纖維素水凝膠。由纖維素和羧甲基纖維素制備的大孔水凝膠的吸水能力可達1000倍，且本身能保持良好的形狀;這種水凝膠在不同溶液中顯示不同溶脹比，同樣可具有智能行為?！睆埨仍敿毥榻B了這幾種新型的纖維素制品。

　　工業化試驗后推向市場

　　據張俐娜介紹，纖維素低溫溶解技術正在進行工業化試驗，其中，湖北化纖集團有限公司已經將纖維素溶液紡出長絲，隨后他們與江蘇海安申菱電器公司合作取得了該項目的初步工業化試驗成果。在中國工程院相關院士的建議下，張俐娜的團隊目前與唐山三友化纖股份有限公司合作，期待將這項先進技術最終推向市場。

　　在該技術的應用成本方面，“它的價格略低于粘膠絲的成本，對于紡織企業在新的技術與成本投入上也沒有過多的要求?！睆埨冉o出這樣的回答，“在NaOH/尿素水溶劑中，纖維素低溫溶解技術本身的應用成本應該說比較低，今后在不同紡織企業的應用上如何控制成本，要視企業的具體情況而定?！?/span>

　　纖維素低溫溶解技術既低碳環保又價格實惠，對于它的市場前景，張俐娜十分樂觀，“我國的紡織行業這么龐大，如果能把生物質資源溶解進行紡絲織布，那得為國家節約多少資源呀?！笨磥?，這不僅是一項推動紡織業技術革命的新技術，更是我國紡織行業在“十二五”期間實現節能減排、提升產業發展的敲門磚之一。

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