سلولز، فراوان‌ترین پلیمر طبیعی روی زمین، اساس ساختاری دیواره‌های سلولی گیاهی را تشکیل می‌دهد. خواص منحصربه‌فرد آن، آن را برای منسوجات، کاغذ، مواد زیستی و کاربردهای انرژی ارزشمند می‌کند. با این حال، بلورینگی بالا و شبکه پیوند هیدروژنی قوی سلولز، آن را در حلال‌های معمولی نامحلول می‌کند و پتانسیل صنعتی آن را محدود می‌کند.

تحقیقات اخیر، محلول‌های نمک لیتیوم - به‌ویژه برمید لیتیوم (LiBr) - را به‌عنوان سیستم‌های حلال امیدوارکننده برای انحلال سلولز شناسایی کرده است. این مقاله، مکانیسم‌ها، دینامیک، عوامل مؤثر، کاربردها و چالش‌های انحلال سلولز مبتنی بر LiBr را از منظر داده‌محور تجزیه و تحلیل می‌کند.

یون‌های لیتیوم (Li+) دارای چگالی بار استثنایی بالایی هستند (52 C·mm^-3 ) که به طور قابل توجهی بیشتر از سدیم (12 C·mm^-3 ) یا یون‌های پتاسیم (7 C·mm^-3 ) است. این امر، هماهنگی قوی با گروه‌های هیدروکسیل سلولز را امکان‌پذیر می‌کند و پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی را مختل می‌کند.

پیوندهای هیدروژنی سلولز (20-40 kJ/molدر هر پیوند) یک ساختار کریستالی قوی ایجاد می‌کنند. هماهنگی Li+ این فعل و انفعالات را تضعیف می‌کند و اختلال کامل شبکه در غلظت‌های کافی Li+ رخ می‌دهد.

حلال‌های آپروتیک قطبی مانند DMSO و DMAc با تثبیت Li+ و زنجیره‌های سلولز حل‌شده، انحلال را افزایش می‌دهند. سیستم‌های حلال بهینه، ثابت‌های دی‌الکتریک بالا را با پارامترهای حلالیت مناسب ترکیب می‌کنند.

ظرفیت انحلال در میان نمک‌های لیتیوم به طور قابل توجهی متفاوت است:

• حلال‌های مؤثر: LiI، LiBr، LiSCN، LiClO₄
• عوامل متورم‌کننده فقط: LiCl، LiNO₃

آنیون‌های بزرگ‌تر و با چگالی بار کمتر در حلال‌های مؤثر، رقابت برای سایت‌های هماهنگی Li+ را به حداقل می‌رسانند.

سوسپانسیون‌های سلولز میکروکریستالی (MCC) در طول انحلال از کدر به شفاف تبدیل می‌شوند. اندازه‌گیری‌های کدورت نشان می‌دهد که این فرآیند معمولاً 2 تا 4 ساعت در دمای 80-100 درجه سانتی‌گراد طول می‌کشد.

میکروسکوپ نور پلاریزه، کاهش تدریجی اندازه دامنه کریستالی را نشان می‌دهد و همبستگی ناپدید شدن کامل با انحلال کامل دارد.

سه فاز ویسکوزیته متمایز ظاهر می‌شود:

1. فاز پراکندگی:افزایش ویسکوزیته حداقل (0-30 دقیقه)
2. انحلال سریع:افزایش ناگهانی ویسکوزیته (30-120 دقیقه)
3. تخریب:کاهش تدریجی ویسکوزیته (بیش از 120 دقیقه)

تجزیه و تحلیل آرنیوس، انرژی‌های فعال‌سازی انحلال را نشان می‌دهد40-60 kJ/molکه نشان‌دهنده حساسیت قابل توجه به دما است. دماهای بهینه، سرعت انحلال را در برابر تخریب سلولز متعادل می‌کند.

سلولز با DP بالاتر (بیش از 500 واحد گلوکز) به دلیل افزایش درهم‌تنیدگی زنجیره و پیوند هیدروژنی، سینتیک انحلال به طور قابل توجهی کندتری را نشان می‌دهد.

ذرات کوچک‌تر ( کمتر از 50 میکرومتر) تا3 برابر سریع‌تراز همتایان بزرگ‌تر به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم، حل می‌شوند.

افزودن اسید کنترل‌شده (0.1-1.0 M) می‌تواند زمان انحلال را تا50-70٪از طریق موارد زیر کاهش دهد:

• هیدرولیز پیوندهای گلیکوزیدی (کاهش DP)
• پروتون‌دار شدن گروه هیدروکسیل (تضعیف پیوندهای هیدروژنی)

محلول‌های LiBr، اصلاح الیاف را برای بهبود جذب رنگ و خواص عملکردی امکان‌پذیر می‌کنند.

سلولز حل‌شده به‌عنوان پیش‌ساز برای غشاها، هیدروژل‌ها و نانوالیاف در کاربردهای پزشکی عمل می‌کند.