Celuloza, najobficiej występujący naturalny polimer na Ziemi, stanowi strukturalną podstawę ścian komórkowych roślin. Jej unikalne właściwości sprawiają, że jest cenna dla tekstyliów, papieru, biomateriałów i zastosowań energetycznych. Jednak wysoka krystaliczność celulozy i silna sieć wiązań wodorowych sprawiają, że jest ona nierozpuszczalna w konwencjonalnych rozpuszczalnikach, co ogranicza jej potencjał przemysłowy.

Ostatnie badania zidentyfikowały roztwory soli litu - szczególnie bromek litu (LiBr) - jako obiecujące układy rozpuszczalników do rozpuszczania celulozy. Niniejszy artykuł analizuje mechanizmy, dynamikę, czynniki wpływające, zastosowania i wyzwania związane z rozpuszczaniem celulozy na bazie LiBr z perspektywy opartej na danych.

Jony litu (Li+) posiadają wyjątkowo wysoką gęstość ładunku ( 52 C·mm ^-3 ), znacznie większą niż sód ( 12 C·mm ^-3 ) lub jony potasu ( 7 C·mm ^-3 ). Umożliwia to silną koordynację z grupami hydroksylowymi celulozy, zakłócając międzycząsteczkowe wiązania wodorowe.

Wiązania wodorowe celulozy ( 20-40 kJ/mol na wiązanie) tworzą solidną strukturę krystaliczną. Koordynacja Li+ osłabia te interakcje, a całkowite zakłócenie sieci następuje przy wystarczających stężeniach Li+.

Polarne rozpuszczalniki aprotonowe, takie jak DMSO i DMAc, zwiększają rozpuszczanie poprzez stabilizację Li+ i rozpuszczonych łańcuchów celulozy. Optymalne układy rozpuszczalników łączą wysoką stałą dielektryczną z odpowiednimi parametrami rozpuszczalności.

Zdolność rozpuszczania różni się znacznie w zależności od soli litu:

• Skuteczne rozpuszczalniki: LiI, LiBr, LiSCN, LiClO ₄
• Tylko środki pęczniejące: LiCl, LiNO ₃

Większe, mniej gęste ładunkowo aniony w skutecznych rozpuszczalnikach minimalizują konkurencję o miejsca koordynacji Li+.

Zawiesiny mikrokrystalicznej celulozy (MCC) przechodzą ze stanu nieprzezroczystego do przezroczystego podczas rozpuszczania. Pomiary mętności pokazują, że proces ten zwykle wymaga 2-4 godzin w temperaturze 80-100°C.

Mikroskopia w świetle spolaryzowanym ujawnia stopniowe zmniejszanie się rozmiaru domen krystalicznych, a ich całkowite zniknięcie koreluje z pełnym rozpuszczeniem.

Wyróżniają się trzy różne fazy lepkości:

1. Faza dyspersji: Minimalny wzrost lepkości (0-30 min)
2. Szybkie rozpuszczanie: Skoki lepkości (30-120 min)
3. Degradacja: Stopniowy spadek lepkości (>120 min)

Analiza Arrheniusa ujawnia energie aktywacji rozpuszczania na poziomie 40-60 kJ/mol , co wskazuje na znaczną wrażliwość na temperaturę. Optymalne temperatury równoważą szybkość rozpuszczania z degradacją celulozy.

Celuloza o wyższym DP ( >500 jednostek glukozy ) wykazuje znacznie wolniejszą kinetykę rozpuszczania ze względu na zwiększone splątanie łańcuchów i wiązania wodorowe.

Mniejsze cząstki ( <50 μm ) rozpuszczają się nawet 3× szybciej niż większe odpowiedniki ze względu na zwiększony stosunek powierzchni do objętości.

Kontrolowane dodawanie kwasu ( 0,1-1,0 M ) może skrócić czas rozpuszczania o 50-70% poprzez:

• Hydrolizę wiązań glikozydowych (zmniejszając DP)
• Protonowanie grup hydroksylowych (osłabiając wiązania wodorowe)

Roztwory LiBr umożliwiają modyfikację włókien w celu poprawy pobierania barwnika i właściwości funkcjonalnych.

Rozpuszczona celuloza służy jako prekursor membran, hydrożeli i nanowłókien w zastosowaniach medycznych.