摘要
自20世纪以来，随着工业革命的推进，石油基高分子材料在人类文明发展过程中发挥着不可替代的作用。但是，随着社会经济的发展，石油基高分子材料的大规模应用所导致的资源危机以及环境问题也日趋严重。现普遍认为，实现高分子工业的可持续发展势在必行，以生物可再生资源为原料研究发展新型高分子材料，特别是生物可降解高分子材料是有效途径。 生物质资源中的纤维素是地球上储量丰富的天然高分子材料。但是，由于纤维素本身具有的氢键网络结构，很难被溶解或者熔融加工成型。因此，为了提高纤维素的加工性能和功能性，纤维素的温和、高效的溶解技术和理想的衍生化方式是首要问题。本论文聚焦酮羰基纤维素酯的可控及绿色合成，探索其衍生化新材料构建方法与潜在应用，主要研究内容如下： 1、基于纤维素在新型溶剂体系CO2/DBU/DMSO中的溶解，充分利用超强有机碱DBU的原位绿色催化作用，实现了纤维素与α-当归内酯、乙酰丙酸甲酯及乙酰丙酸乙酯等商业化的生物基化学品的转酯化反应，发展了纤维素乙酰丙酸酯的原子经济性合成新策略，并实现了其结构的可控合成；系统研究了反应条件（时间、温度和投料比）对纤维素乙酰丙酸酯结构及性能的影响。研究结果显示，当取代度大于0.59时，合成的纤维素乙酰丙酸酯具有很好的水溶性，以水为溶剂制备的纤维素乙酰丙酸酯膜材料具有很好的亲水性，拉伸强度可达72Mpa，在未加增塑剂的情况下，断裂伸长率达26.7%。在此，提出了基于酮羰基的烯醇异构以促进纤维素氢键网络重构的理论，从而实现材料热力学性能提高及研究内增塑的机理。 2.以纤维素乙酰丙酸酯为纤维素平台衍生物，首次实现了以酸酐为酰化试剂的纤维素乙酰丙酸及其混合酯的可控合成。通过控制酸酐碳链长度，调控其混合酯的玻璃化转变温度，如纤维素乙酰丙酸丁酸酯的玻璃化转变温度为86.8℃，纤维素乙酰丙酸丙酸酯的玻璃化转变温度为109.3℃，为新型纤维素基热塑性材料的设计与合成及应用拓展提供了重要的理论与技术支撑。 3.以纤维素乙酰丙酸酯为纤维素平台衍生物，基于其酮羰基结构特点，通过Aldol缩合反应，实现了纤维素乙酰丙酸酯的直接碳链延长以及纤维素衍生物分子链的脱水缩合，发展了长链、大位阻纤维素羧酸酯及抗自由基与光活性纤维素羧酸酯的合成策略。通过FT-IR、1H-NMR、13C-NMR、DSC、TGA等表征手段研究材料的结构与性能，阐明了材料结构与热性能相互关系。 4.以离子液体为溶剂，系统研究了无催化剂条件下，纤维素与双乙烯酮制备纤维素乙酰乙酸酯的反应行为，系统考查了反应条件（时间、温度和投料比）对纤维素乙酰乙酸酯取代度的影响。以木质素基酚醛为反应物，研究了纤维素乙酰乙酸酯的多组分Biginelli反应，成功制备了一系列抗自由基与荧光纤维素羧酸酯（纤维素二氢嘧啶-酮类化合物）。利用FT-IR、1H-NMR、13C-NMR、DSC、TGA、荧光光谱等表征手段阐明了材料结构与性能之间的相互关系。
NETL