技術與應用

一種溶解纖維素的創新路線——打開纖維素產業化應用新窗口


普渡大學(Pordue University)的學者Xu Qin女士所在的團隊發明了一種低成本溶解纖維素的新方法。相比於傳統路線Xu Qin女士的方法非常容易,溶劑可回收、成本低廉,因此非常適合進行商業化規模生產。


纖維素是自然界最為豐富的可再生資源,且具有生物降解性。纖維素的生物相容性、生物可降解性以及低毒特征都使它成為石油產品的理想替代材料之一。但是由於纖維素分子間及分子內強烈的氫鍵作用,以及纖維素聚集態結構複雜、高結晶度等因素使纖維素在水與其他常規有機和無機溶劑中很難溶解,這種不溶解性很大程度上限製了纖維素的應用。


每年全世界纖維素產品的產量在7000億噸,而在纖維素精細化利用發展較早的歐洲每年通過利用化學漿製得的纖維素衍生物與再生纖維素產品加起來也不過200萬噸。而根據美國化學理事會的數據全球石油化工的市場在4萬億美元,其中商業化聚合物的市場在600億美元,而在這600億中隻有10%左右使用了綠色化學,所以說纖維素的精細化利用的空間非常巨大。


溶解纖維素從技術上來講並非遙不可即,目前已有多種溶劑體係可以用來溶解纖維素,甚至NaOH溶液在一定條件下也可以有選擇的溶解纖維素。但是這些方法都存在如毒性、引起環境問題、複雜的預處理、溶解過程存在副作用、效率低下、穩定性差、無法回收、高能耗、高成本等這樣那樣的問題不利於規模化生產。

Photosource:Sciencedirect

針對這個問題 Xu Qin 女士的團隊對使用無機鹽溶劑係統溶解纖維素的可行性進行了係統性探索。無機鹽溶劑係統具有使用簡單、容易回收、無毒、環境友好且價格便宜的優點。Xu Qin 女士將她的最新研究結果發表在最新一期的carbohydrate Polymer上,論文的題目為“A facile route to prepare cellulose-based films”,該論文的主要結論如下:

  • Zn2 +離子可以破壞或者減弱O3HO5的氫鍵結合,從而溶解纖維素。
  • Ca2+離子的存在可以促進Zn—纖維素的交聯與凝膠化,並可製成結實穩定的透明薄膜。


以下是Xu在論文中列出的溶解纖維素的方法:

0.8g濃為3%微晶纖維素加入到1.6ml蒸餾水中,在另一個燒杯中製備6ml濃度為68%ZnCl2溶液並在65oC的條件下平衡大約10分鍾,最後將平衡後的ZnCl2溶液加入到前麵的微晶纖維素漿料中充分攪拌30分鍾。


Zncl2是一種普通無機溶劑,價格相對低廉,而且可以回收再用,研究中指出該方法製得的這種可降解的新型基於纖維素柔性薄膜具有潛力應用於食品包裝,繃帶、藥物膠囊、生物活性物質以及農業薄膜。文章中沒有提及這種方法製備的纖維素溶液的穩定性及與其他材料的相容性等問題。但是無論怎樣一種高效、低成本的溶劑係統無疑可以打開纖維素的產業化應用的新窗口,通過這個窗口可以探索纖維素在更多領域的產業化應用,使我們對纖維素的利用達到一個更高的層次,比如塗料與油漆中的流變改性、複合材料與聚合物的增強、紙張塗布與特種紙、化妝品、柔性電子基材等等。


圖片來源:Purdue University, press release, 2016-06-07

Xu的研究結果發表在最新一期的carbohydrate Polymer上,並且跟普渡大學技術產業化辦公室簽署了技術公開協議。該篇文章可以在Sciencedirect上獲得,鏈接如下 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014486171630491X。


參考文獻

1.American Chemistry Council 

2.ecochemex.com

3.Industrial Material Use of Biomass,Nova Insititute

4.Afacile route to prepare cellulose-based films ,Carbohydrate Polymers 149 (2016)274–281


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