综纤维素在季铵盐/水体系下的溶解机理及纸基功能材料构筑研究

20250123

农、林、牧、渔业

机械法制备综纤维素纳米纤维处于实验室小试阶段，仍需进一步探索最佳条件，从而降低生产能耗。溶解改性策略中溶剂的有效回收可以进一步降低环境风险，符合绿色发展的要求，仍需进一步探索。

资金实力：拟合作方通常需要具备一定的资金实力（一般为大中型企业），以支持科技成果的后续试验、开发和应用。这包括但不限于购买技术、设备升级、市场推广等。 场地和设施：拟合作方可能需要提供或租用适合的场地和设施进行试验和生产。这可能涉及到实验室、生产线、仓库等物理空间。 设备需求：科技成果的转化可能需要特定的设备来进行开发和生产，合作方需要具备或获得这些必要的生产设备。 人力资源：拟合作方应当拥有或能够招募到具备相关专业技能的人力资源，以支持科技成果的研发和商业化过程。这包括科研人员、工程师、销售人员和技术支持团队。

仅限国内转让

项目首先针对传统纤维素和半纤维素转化利用存在的分离过程复杂、能耗大、环境污染等问题，创新的提出了机械解纤策略，极大的减少了化学试剂的使用，符合绿色发展的需求，制备得到的综纤维素纳米纤维的长度2μm；其次通过溶解-改性策略制备了具有阳离子特性的综纤维素纳米纤维，该过程具有时间短、制备得到的综纤维素纳米纤维长径比大的特点，其长度可达12μm，之间在2~10 nm之间。在此基础上开发了多种综纤维素纸基功能材料包括纸基电极，电磁屏蔽纸，光热驱动器和离子选择性膜材料。以上研究结果为林木生物质中的半纤维素的利用提供了新方法，也为生物质的高值化利用奠定了基础。综纤维素定向转化可以提高我国林产资源精深加工利用水平，促进林业科技的发展，延长林业产业链条，实现林业增收，工业增效，生态增益，具有重要的意义。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

半纤维素和纤维素是自然界中储量最为丰富的天然高分子，其中纤维素每年的产量超过千亿吨。而传统的纤维素利用途径是通过化学蒸煮的手段除去木质素和半纤维素得到纯度相对较高的纤维素，再次基本上进行纤维素的转化，包括造纸、化学品和功能材料。而半纤维素在这个过程中通常是废弃物的方式进行燃烧发电处理，尤其是在制浆过程，造成了严重的资源浪费和环境污染问题。 正对上述问题，本项目创新的提出了半纤维素和纤维素共转化策略，通过对生物质原料麦草进行脱木素处理后，采用机械研磨对综纤维素进行纳米化处理，从而得到综纤维素纳米纤维；机械解纤的过程主要是通过机械力的作用对综纤维素进行剪切处理，从而对综纤维素进行剥离，得到纳米纤维。在机械处理的过程中主要技术指标是调节磨盘之间的间距和机械处理的时间，在这里常用的间距为9μm，时间为2.5h，得到的纳米综纤维素的长度在2μm。 此外，探究了综纤维素在四丁基氢氧化铵/尿素体系中的溶解机理，通过溶解-改性策略制备具有阳离子特性的综纤维素纳米纤维，在溶解过程中，季铵盐和尿素进行综纤维素的分子链内破坏分子间的氢键作用，进一步的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵在碱性条件下发生开环与综纤维素上羟基发生醚化，反应位点包括纤维素和半纤维素的羟基；反应结束后，通过加入过量去离子水进行再生，再生过程中由于分子链侧基的阳离子排斥效应，会产生大量的纳米纤维。在溶解过程中主要参数是四丁基氢氧化铵的浓度、溶解温度和时间，在这里浓度为40%、溶解温度为室温、溶解时间45min。在改性过程中，主要涉及醚化试剂的用量、反应时间和反应温度，在这里主要探讨了醚化试剂用量为原料质量比为2、反应时间3h、反应温度60℃。再生过程中的去离子水用量一般为反应体积的3倍。 在此基础上，以得到的不同类型的综纤维素纳米纤维为原料制备了一系列综纤维素纸基功能材料，包括纸基电极，电磁屏蔽纸，光热驱动器和离子选择性膜材料等。通过对材料结构与性能的调控，实现了综纤维素基功能材料在柔性电极、电磁屏蔽、盐差发电、焦耳热和传感等领域。 纸基电极材料主要是通过碳纳米管和综纤维素纳米纤维按不同比例进行组装，从而获得导电性能优异和充放电性能稳定的纸基电极材料。纸基电磁屏蔽纸主要是通过在综纤维素纳米纤维体系中引入具有电磁屏蔽性能的MXene，不进解决了MXene力学性能差的问题，也赋予了综纤维素纸新功能。在此基础上，提出了一种纳米综纤维素捕获液态金属策略，并成功实现超强韧液态金属基柔性纸基电子器件的制备，该纳米纸表现出优异的光热和电热转化性能。通过真空抽滤的策略构筑了具有阴离子选择传输的综纤维素/MXene纸基膜材料，当综纤维素的含量为10%，盐差能转换性能最佳，达到了0.67 W m-2。在模拟海水体系下能量转换具有良好的耐久性和连续性。