【摘 要】
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纤维氢键主要是由广泛存在于植物中的羟基以O-H…O形式形成的作用力,尤以纤维素中氢键最为典型,其对纤维自身特性以及纤维材料的强度等有重要影响。但是,由于氢键在纤维中分布极其复杂,尚无准确的量化方法,致使纤维再结晶及其材料强度机制等研究停留在定性阶段,严重阻碍了科学研究的深入。因此,探究植物纤维氢键量化分析方法,尤其是纤维素纤维氢键量化分析新方法,不仅有助于分析植物纤维结构和特性之间的关系,也为纤维
【基金项目】
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国家自然科学基金(31470607); 广东省自然科学基金(2021A1515011012);
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纤维氢键主要是由广泛存在于植物中的羟基以O-H…O形式形成的作用力,尤以纤维素中氢键最为典型,其对纤维自身特性以及纤维材料的强度等有重要影响。但是,由于氢键在纤维中分布极其复杂,尚无准确的量化方法,致使纤维再结晶及其材料强度机制等研究停留在定性阶段,严重阻碍了科学研究的深入。因此,探究植物纤维氢键量化分析方法,尤其是纤维素纤维氢键量化分析新方法,不仅有助于分析植物纤维结构和特性之间的关系,也为纤维素基高强材料的有效调控提供参考。本论文以纤维素为主要组分的溶解浆为研究对象,就其乙酰化反应特性进行分析,结合红外光谱,建立基于乙酰取代的纤维素纤维氢键量化新方法,并将该方法应用于回用纤维的氢键分析检测,就其纸张强度与氢键的相关性进行研究。研究结果如下:1.在纤维素纤维的乙酰化反应过程中,乙酰基含量随羟基可及性呈现阶段性变化,结晶区由此逐步转变为半结晶区。取代过程分为四个阶段:第一阶段,即反应初期,纤维可及表面的羟基参与反应,乙酰基含量迅速增加;第二阶段,即主要反应阶段,纤维无定形区内的可及羟基上的氢基本被完全取代,结晶区的可及表面羟基开始参与反应;第三阶段,即反应持续阶段,结晶区内的可及部分逐渐被完全取代;第四阶段,即反应稳定阶段,乙酰基含量趋于稳定,仅晶体内部少量的不可及羟基未被反应。2.基于晶体内的氢键是饱和且有序的理论前提,以及乙酰基团能够取代羟基上的氢并破坏其形成的氢键的特性,在乙酰取代第三阶段,通过红外检测计算反应时间范围为60-300 min的样品的氢键单位面积(unit area,UA),由此建立基于乙酰反应的纤维素纤维氢键的量化方法。通过UA对红外去卷积结果进行校正,得到不同氢键的含量的横向对比结果。3.采用本文建立的氢键量化方法分别检测分析纤维素纤维打浆和回用处理后样品中氢键的变化量,探究氢键变化与纸张强度之间的相关性。结果表明纸张强度与保水值、结晶度不完全相关,但与分子内氢键的呈负相关,且相关性良好。相关性不受处理方式影响。
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