低浓度NaOH冻融预处理调控纤维素聚集态结构及Fock反应性能OA

【目的】为推进纤维素的高值化利用,亟需解决传统高浓度NaOH丝光化处理易导致纤维素降解,以及均相反应体系溶剂体系复杂、回收困难等问题。为此,本研究构建低浓度NaOH冻融预处理方法,旨在实现纤维素高效润胀、聚合度保持与反应性能提升,同时阐明冻融过程中纤维素结构活化与反应性能提升的作用机制。【方法】本研究以脱脂棉纤维为原料,采用低浓度NaOH冻融预处理对纤维素进行活化。通过对预处理前后纤维素的润胀行为、形貌、结晶结构、热稳定性及水分吸附–脱附行为进行表征,分析其结构变化和分子链可及性;并结合Fock反应性能测试和乙酰化反应,评价纤维素反应性能的提升效果,进一步阐明NaOH冻融预处理的作用机制。【结果】(1)NaOH冻融预处理可以促进纤维素润胀,使纤维呈现球状或串珠状结构,并有助于保持较高聚合度。(2)NaOH冻融预处理后,纤维素结晶度明显降低,且晶型转变所需NaOH质量分数降低。当NaOH质量分数由0%升高至10%时,纤维素结晶度由80.21%降低至48.55%;在NaOH质量分数为4%时,纤维素晶型由Ⅰ型转变为Ⅱ型。(3)NaOH冻融预处理可显著提升纤维素的反应性能。相同Na OH质量分数下,4%和8%NaOH冻融处理样品的Fock反应性能分别为77.43%和81.78%,较对应常温NaOH处理样品分别提高52.27%和50.08%。(4)机制分析表明,低质量分数NaOH可削弱纤维素原有氢键网络并促进纤维初步润胀;冻融过程中NaOH局部浓缩、冰晶体积膨胀及解冻后水分通道的形成进一步促进碱液渗透和分子链松弛,从而增加反应位点暴露,提高纤维素反应性能。【结论】本研究通过低质量分数NaOH润胀与冻融过程协同作用,实现了棉纤维在非溶解条件下的温和结构活化。该方法能够降低纤维素结晶有序性,提高分子链可及性,并在较好保持聚合度的同时显著提升Fock反应性能和乙酰化取代度,为纤维素化学改性的温和预处理提供了有效途径。