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摘 要

微晶纤维素是一种小分子的、纯化的纤维素。作为天然多糖，它具有可生物降解、生物相容性好、安全无毒、稳定性高等优点。因其聚合度较低、比表面积较大，被广泛应用于食品、轻工与化妆品等行业。近几年来，微晶纤维素在高分子材料领域研究广泛。

本文以PH105与PH200微晶纤维素为研究对象，以新型碱复合溶剂NaOH/尿素水溶液为有效溶剂，探究其溶解条件，采用光学显微镜监测微晶纤维素的溶解情况。分别溶解质量浓度为1%、3%、5%、6%的PH105与PH200微晶纤维素，通过稳态流变学分析手段，研究微晶纤维素溶液的流变模型、触变性能，以及剪切速率、温度及浓度对溶液流变性质的影响，为微晶纤维素高分子材料的构建奠定理论基础。

关键词：微晶纤维素 NaOH/尿素水溶液 溶解 流变性能

Dissolution of microcrystalline cellulose in NaOH/ urea aqueous solution and the study of solution rheological properties

Abstract

Microcrystalline cellulose is a purified, partially depolymerized cellulose. This natural polysaccharide is widely used in medicine, food, cosmetics and light chemical industry due to its advantages of biodegradability, good biocompatibility, safety, non-toxicity, high stability, low degree of polymerization, large specific surface area and other special properties. Nowadays, microcrystalline cellulose was extensively researched in the realm of polymer materials.

The research object of this paper was PH105 and PH200 microcrystalline cellulose, and the new alkali complex solvent NaOH/urea aqueous solution was used as an effective solvent. The dissolution conditions were investigated and the dissolution process was monitored by optical microscope. The solutions of 1%, 3%, 5%, 6% PH105 and PH200 microcrystalline cellulose were firstly prepared. Then the rheological model, and thixotropic property of microcrystalline cellulose solutions, and the effect of shear rate, temperature and concentration of solution on rheological properties of solutions, were systematically investigated using steady rheological analysis method. All the results would provide theoretical foundation for the construction of microcrystalline cellulose materials.

Key Words: Microcrystalline cellulose; NaOH/urea aqueous solution; Dissolution; Rheological properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 纤维素结构与溶解 1

1.1.1 纤维素的结构 1

1.1.2 纤维素的溶解 1

1. 胺氧化物体系 1

2. 氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺体系 2

3. 离子液体体系 2

1.2 碱/尿素水溶液体系 2

1.3 纤维素溶液的流变性能 3

1.4 研究意义 4

第二章 实验部分 5

2.1 实验材料与仪器 5

2.1.1 实验材料 5

2.1.2 实验仪器 5

2.2 实验内容 5

2.2.1 微晶纤维素在NaOH/尿素水溶液中的溶解 5

2.2.2 微晶纤维素的NaOH/尿素水溶液的流变性质 6

第三章 结果与分析 8

3.1 微晶纤维素的溶解 8

3.2 流变性能测定 9

3.2.1 不同浓度微晶纤维素流变模型 9

3.2.2 不同浓度微晶纤维素溶液的触变性 12

3.2.3 不同浓度微晶纤维素溶液的剪切稀化 13

3.2.4 不同温度微晶纤维素的剪切稀化 15

3.3 小结 16

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 创新点 18

4.3 研究展望 19

参考文献 20

致  谢 23

第一章 绪论

纤维素是一种自然界中分布最广、储量最丰富的天然可再生资源。微晶纤维素是聚合度极低的纤维素，多呈白色粉末状，无毒无害、稳定性高、流动性强、生物相容性好、不具有纤维性。因其聚合度较低、比表面积较大，在各个领域具有广阔的应用空间。近几年来，微晶纤维素在高分子材料领域研究广泛。

1.1 纤维素结构与溶解

纤维素的结构

纤维素是自然界中含量最多的天然多糖大分子，纤维素分子间和分子内含有大量的氢键使得纤维素分子结构非常稳定。这样的结构使得溶剂难以进入到纤维素分子中，并与之发生反应使其溶解。因此，想要提高自然界中纤维素的利用率的首要条件就是找到合适的纤维素溶剂。

图 1-1 纤维素的结构

• • 1. 纤维素的溶解

1. 胺氧化物体系

Charles Graneanacher研究发现了胺氧化物体系可以用于溶解纤维素，并找到的溶解的方法，为该方法申请了专利^[1]。此后，Dee Lynn Johnson利用N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）制备了纤维素溶液^[2]，并发现NMMO在制备纤维素溶液的过程中，可达到98%回收利用，且溶解过程中无毒无害、安全环保。通过NMMO体系制备出的纤维素因此被成“绿色”纤维。目前，采用NMMO体系制备再生纤维的成本偏高，以该方法制造再生纤维的大规模工业化还难以实现。

1. 氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺体系

1979年，Charles McCormick指出氯化锂/N,N’-二甲基乙酰胺（LiCl /DMAc）体系能够溶解纤维素^[3]。在LiCl /DMAc体系中，纤维素自身的氢键断裂，并与Cl^－结合形成新的氢键，Cl^－与Li^＋（DMAc）紧密相连，与纤维素形成络合物，从而溶解纤维素。Terbojevich研究发现，先用DMAc润湿纤维素后，经高温N₂、100℃加入LiCl，再经过80℃搅拌，可以溶解高分子量的纤维素^[4]。目前，应用该体系对纤维素材料的制备与改性还处于实验室研究阶段^[5,6]。通过LiCl /DMAc体系溶解可以得到的稳定的纤维素溶液，并且应用广泛。但由于原材料价格昂贵、回收率低，该方法难以实现工业化。近几年，依旧局限于实验研究。

1. 离子液体体系

离子液体是一种由阴、阳离子构成且熔点低于100℃的有机盐溶液。离子液体是一种非常优良的溶剂，能够溶解大多数的高分子材料和有机物。除了作为溶剂，离子液体甚至还能够作为催化剂催化一部分特定的反应。在化学反应中，离子液体不会产生气体，自然也没不会有有害气体的生成。因为离子液体溶解纤维素的过程中，不产生有害气体、不易燃、化学性质稳定、溶解性能良好，离子液体广泛应用于纤维素大分子的改性研究中。也正是因为这些特点，离子液体成为了对环境有好的绿色溶剂，有效避免了对环境的污染与破坏。

Rogers研究指出1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐（[BMIM]Cl）离子液体可以作为溶剂溶解纤维素^[7]。但后续研究发现，该体系溶解纤维素具有局限性，只有含有强氢键受体负离子的离子液体才能够溶解纤维素，一旦液体中含有配位型负离子，则不能溶解纤维素。同时，离子液体价格昂贵且不能多次利用的特点也限制了该体系的工业化应用^[8]。

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