เซลลูโลส ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ธรรมชาติที่มีมากที่สุดในโลก เป็นโครงสร้างพื้นฐานของผนังเซลล์พืช คุณสมบัติเฉพาะตัวทำให้มีคุณค่าสำหรับสิ่งทอ กระดาษ วัสดุชีวภาพ และการใช้งานด้านพลังงาน อย่างไรก็ตาม ความเป็นผลึกสูงของเซลลูโลสและเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งทำให้ไม่ละลายในตัวทำละลายทั่วไป ซึ่งจำกัดศักยภาพทางอุตสาหกรรม

งานวิจัยล่าสุดได้ระบุสารละลายเกลือลิเธียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งลิเธียมโบรไมด์ (LiBr) ว่าเป็นระบบตัวทำละลายที่น่าสนใจสำหรับการละลายเซลลูโลส บทความนี้วิเคราะห์กลไก พลวัต ปัจจัยที่มีอิทธิพล การประยุกต์ใช้ และความท้าทายของการละลายเซลลูโลสโดยใช้ LiBr จากมุมมองที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล

ไอออนลิเธียม (Li+) มีความหนาแน่นของประจุสูงเป็นพิเศษ ( 52 C·mm ^-3 ), สูงกว่าโซเดียม ( 12 C·mm ^-3 ) หรือไอออนโพแทสเซียม ( 7 C·mm ^-3 ) อย่างมาก สิ่งนี้ช่วยให้สามารถประสานงานกับกลุ่มไฮดรอกซิลของเซลลูโลสได้อย่างแข็งแกร่ง ซึ่งเป็นการรบกวนพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล

พันธะไฮโดรเจนของเซลลูโลส ( 20-40 kJ/mol ต่อพันธะ) สร้างโครงสร้างผลึกที่แข็งแกร่ง การประสานงานของ Li+ ทำให้ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้อ่อนแอลง โดยมีการรบกวนเครือข่ายทั้งหมดเกิดขึ้นที่ความเข้มข้นของ Li+ ที่เพียงพอ

ตัวทำละลายอะโปรติกขั้วโลก เช่น DMSO และ DMAc ช่วยเพิ่มการละลายโดยการทำให้ Li+ และโซ่เซลลูโลสที่ละลายน้ำมีความเสถียร ระบบตัวทำละลายที่ดีที่สุดจะรวมค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงเข้ากับพารามิเตอร์การละลายที่เหมาะสม

ความสามารถในการละลายแตกต่างกันอย่างมากในหมู่เกลือลิเธียม:

• ตัวทำละลายที่มีประสิทธิภาพ: LiI, LiBr, LiSCN, LiClO ₄
• สารเพิ่มการบวมเท่านั้น: LiCl, LiNO ₃

แอนไอออนที่มีขนาดใหญ่กว่าและมีความหนาแน่นของประจุน้อยกว่าในตัวทำละลายที่มีประสิทธิภาพจะลดการแข่งขันเพื่อการประสานงานของ Li+

สารแขวนลอยไมโครคริสตัลไลน์เซลลูโลส (MCC) เปลี่ยนจากทึบแสงเป็นโปร่งใสในระหว่างการละลาย การวัดความขุ่นแสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้โดยทั่วไปต้องใช้เวลา 2-4 ชั่วโมงที่ 80-100°C

กล้องจุลทรรศน์แสงโพลาไรซ์เผยให้เห็นการลดขนาดโดเมนผลึกอย่างต่อเนื่อง โดยการหายไปอย่างสมบูรณ์สัมพันธ์กับการละลายทั้งหมด

สามเฟสความหนืดที่แตกต่างกันปรากฏขึ้น:

1. เฟสการกระจายตัว: ความหนืดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (0-30 นาที)
2. การละลายอย่างรวดเร็ว: ความหนืดพุ่งสูงขึ้น (30-120 นาที)
3. การเสื่อมสภาพ: ความหนืดลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป (>120 นาที)

การวิเคราะห์ Arrhenius เผยให้เห็นพลังงานกระตุ้นการละลายของ 40-60 kJ/mol ซึ่งบ่งบอกถึงความไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก อุณหภูมิที่เหมาะสมจะสมดุลระหว่างอัตราการละลายกับการเสื่อมสภาพของเซลลูโลส

เซลลูโลส DP ที่สูงขึ้น ( >500 หน่วยกลูโคส ) แสดงให้เห็นจลนพลศาสตร์การละลายที่ช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากการพันกันของโซ่และพันธะไฮโดรเจนที่เพิ่มขึ้น

อนุภาคขนาดเล็ก ( <50 μm ) ละลายได้ถึง 3× เร็วกว่า เมื่อเทียบกับอนุภาคขนาดใหญ่กว่าเนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่เพิ่มขึ้น

การเติมกรดที่ควบคุม ( 0.1-1.0 M ) สามารถลดเวลาในการละลายได้ 50-70% ผ่าน:

• การไฮโดรไลซิสของพันธะไกลโคซิไดก์ (ลด DP)
• การโปรตอนของกลุ่มไฮดรอกซิล (ทำให้พันธะไฮโดรเจนอ่อนแอลง)

สารละลาย LiBr ช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนเส้นใยเพื่อปรับปรุงการดูดซับสีย้อมและคุณสมบัติการทำงาน

เซลลูโลสที่ละลายน้ำได้ทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับเมมเบรน ไฮโดรเจล และเส้นใยนาโนในการใช้งานทางการแพทย์