Целлюлоза, наиболее распространенный природный полимер на Земле, является структурной основой клеточных стенок растений. Ее уникальные свойства делают ее ценной для текстиля, бумаги, биоматериалов и энергетических применений. Однако высокая кристалличность целлюлозы и прочная сеть водородных связей делают ее нерастворимой в обычных растворителях, что ограничивает ее промышленный потенциал.

Недавние исследования выявили, что растворы солей лития, в частности бромид лития (LiBr), являются перспективными растворителями для растворения целлюлозы. В этой статье анализируются механизмы, динамика, влияющие факторы, применение и проблемы растворения целлюлозы на основе LiBr с точки зрения данных.

Ионы лития (Li+) обладают исключительно высокой плотностью заряда ( 52 C·мм ^-3 ), значительно большей, чем у натрия ( 12 C·мм ^-3 ) или ионов калия ( 7 C·мм ^-3 ). Это обеспечивает сильную координацию с гидроксильными группами целлюлозы, нарушая межмолекулярные водородные связи.

Водородные связи целлюлозы ( 20-40 кДж/моль на связь) создают прочную кристаллическую структуру. Координация Li+ ослабляет эти взаимодействия, полное разрушение сети происходит при достаточных концентрациях Li+.

Полярные апротонные растворители, такие как ДМСО и ДМАц, усиливают растворение, стабилизируя Li+ и растворенные целлюлозные цепи. Оптимальные системы растворителей сочетают высокую диэлектрическую проницаемость с соответствующими параметрами растворимости.

Способность к растворению значительно варьируется среди солей лития:

• Эффективные растворители: LiI, LiBr, LiSCN, LiClO ₄
• Только набухающие агенты: LiCl, LiNO ₃

Более крупные анионы с меньшей плотностью заряда в эффективных растворителях минимизируют конкуренцию за координационные центры Li+.

Суспензии микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) переходят из непрозрачного состояния в прозрачное во время растворения. Измерения мутности показывают, что этот процесс обычно занимает 2-4 часа при температуре 80-100°C.

Поляризационная световая микроскопия выявляет постепенное уменьшение размера кристаллических доменов, причем полное исчезновение коррелирует с полным растворением.

Выделяются три четкие фазы вязкости:

1. Фаза дисперсии: Минимальное увеличение вязкости (0-30 мин)
2. Быстрое растворение: Скачки вязкости (30-120 мин)
3. Деградация: Постепенное снижение вязкости (>120 мин)

Анализ Аррениуса показывает энергии активации растворения 40-60 кДж/моль , что указывает на значительную чувствительность к температуре. Оптимальные температуры уравновешивают скорость растворения и деградацию целлюлозы.

Целлюлоза с более высокой DP ( >500 глюкозных звеньев ) демонстрирует заметно более медленную кинетику растворения из-за увеличения запутанности цепей и водородных связей.

Более мелкие частицы ( <50 μm ) растворяются до в 3 раза быстрее , чем более крупные аналоги, из-за увеличения соотношения площади поверхности к объему.

Контролируемое добавление кислоты ( 0,1-1,0 М ) может сократить время растворения на 50-70% за счет:

• Гидролиза гликозидных связей (снижение DP)
• Протонирования гидроксильных групп (ослабление водородных связей)

Растворы LiBr позволяют модифицировать волокна для улучшения поглощения красителя и функциональных свойств.

Растворенная целлюлоза служит предшественником для мембран, гидрогелей и нановолокон в медицинских целях.