纖維素這麼做才能真正化腐朽為神奇

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纖維素的典型特點

纖維素具有來源廣、產量巨大、價格低廉、可完全生物降解、無污染、可改性等優點。但由於自身聚集態結構的特點(較高的結晶度，分子間和分子內存在大量的氫鍵)，所以天然纖維素不熔化、難溶解，導致其加工極其困難。

纖維素主要生產加工技術對比

離子液體(ILs)是在過去20年間發展起來的一類新型溶劑體系，其熔點一般低於100 oC或接近室溫，是完全由離子組成的液體，是繼超臨界二氧化碳和水體系之後又一重要綠色溶劑體系。以離子液體作為溶劑，不僅成功並高效地製備了包括纖維、薄膜、水凝膠、氣凝膠、複合材料等各種類型的再生纖維素材料，而且離子液體是一種高效的纖維素均相衍生化介質，可以均相合成各種纖維素衍生物。可以說，離子液體的出現為纖維素材料的加工和功能化提供了一個新型、高效和多用途的應用平台。

利用離子液體製備再生纖維素材料

製備再生纖維素纖維和薄膜

能溶解纖維素的離子液體都是親水性的，一般可以與水、醇等極性溶劑以任意比例互溶，而水是纖維素加工過程中最常用的沉澱劑。將纖維素/離子液體溶液經澆鑄或擠出成型後，以水或醇作為凝固浴，可以得到各種形式的再生纖維素材料(纖維、薄膜、微球、凝膠和氣凝膠等)。

離子液體水溶液通過蒸發、膜分離、萃取等方式可有效地實現離子液體與水的分離，離子液體回收率達99%以上，回收的離子液體和水均可循環使用。

與傳統的黏膠工藝相比，纖維素的離子液體加工工藝具有顯著的優點：

1過程簡單、高效、生產周期顯著縮短，目前黏膠工藝生產纖維素纖維和薄膜過程中從投料到產品需耗時3~5天，而離子液體新工藝只需不到1h；

2加工過程中纖維素降解較輕，再生纖維素纖維或薄膜的力學性能較黏膠工藝產品顯著提高；

3工藝過程綠色、安全、環保，離子液體工藝中僅使用離子液體和水，無需添加任何其他化學試劑，且離子液體和水可循環使用，無廢氣、廢水和廢渣排放，工藝過程環境友好。

靜電紡絲是一種製備聚合物超細纖維簡單有效的方法，利用離子液體具有高離子濃度的特點，將DMSO(或DMF)加入纖維素/離子液體溶液中作為共溶劑，同時降低纖維素溶液的黏度和表面張力，通過靜電紡絲法製得了纖維直徑在100~800nm之間的纖維素超細纖維，在半透膜、超濾膜、生物感測器、催化劑載體以及組織工程材料等方面有很好的應用前景。

製備纖維素凝膠和氣凝膠

在纖維素/離子液體溶液中加入沉澱劑水或乙醇，會破壞纖維素與離子液體之間的氫鍵相互作用，使溶解在離子液體中的纖維素分子鏈間重新形成氫鍵，產生凝膠化，得到充滿液體的凝膠網路，即水凝膠或醇凝膠，樣品照片如下。

所得水凝膠或醇凝膠通過冷凍乾燥或超臨界CO2乾燥，可得到微觀網路結構保持的纖維素氣凝膠.通過調控凝膠化條件。例如：凝固浴種類及組成、凝固溫度、纖維素溶液濃度等，可調節凝膠化過程，從而調控所得凝膠的微觀結構。

全纖維素複合材料

離子液體具有極低的蒸汽壓，即使在高真空狀態下也能保持這種優良的性能. 基於離子液體的不揮發性，用常規透射電鏡在室溫下原位觀察了纖維素/離子液體溶液，從而揭示了纖維素在離子液體中的溶解過程，如下圖（a）。首先是纖維素非晶區域被溶解，留下部分晶區和微原纖；進一步溶解，留下部分基元原纖；基元原纖最後溶解，形成分子鏈相對均勻分布的纖維素溶液。

以低聚合度的微晶纖維素(聚合度220)為原料，可製得拉伸強度和拉伸模量分別為135 MPa和8.1 GPa的透明纖維素膜，採用該方法可將低品質的纖維素原料(如農作物秸稈)直接加工成力學性能優良的薄膜材料，如下圖所示。

以離子液體為介質合成纖維素衍生物

以離子液體為介質合成纖維素接枝共聚物

設計合成新型纖維素接枝共聚物可將纖維素自身優點和其它高分子的特點結合為一體，是賦予纖維素新性能和拓展纖維素應用領域的一種有效方法。

以AmimCl離子液體為溶劑，在無外加催化劑的條件下，以纖維素分別與溴異丁醯溴、氯乙醯氯和溴乙醯溴等進行均相酯化反應，合成了3種具有引發原子轉移自由基聚合(ATRP)能力的纖維素大分子引發劑；進而成功引發了一系列單體的ATRP接枝聚合反應，得到一系列直接基於纖維素的新型接枝共聚物，如下圖（a）。

如何實現纖維素的熔融加工一直是纖維素材料領域中極具挑戰性的研究課題，而化學改性是實現這一目的的有效手段. 在纖維素/離子液體溶液中，以4-二甲胺基吡啶(DMAP)為催化劑，在較為溫和的條件下，通過丙交酯開環聚合製備了具有較寬取代度範圍和乳酸含量範圍的全生物降解型纖維素接枝聚乳酸共聚物(cellulose-g-PLA)，如下圖（b）。