天然纖維素的單分子力學性能.pdf

1、天然纖維素可以說是自然界中取之不盡、用之不竭的可再生資源。由于其豐富的含量、易衍生化、優(yōu)異的生物降解性和生物相容性等特點，纖維素是近幾十年來人們重點研究的綠色材料，并取得了飛速的發(fā)展。但由于天然纖維素的低溶解度、易結(jié)晶等性質(zhì)，這些進步基本都是基于天然纖維素的衍生物或者其微晶結(jié)構(gòu)的基礎上獲得的，而對其自身性質(zhì)的了解還不夠深入和全面。深入了解纖維素的結(jié)構(gòu)，尤其是深入認識它們在單分子層面上的構(gòu)象、結(jié)構(gòu)變化及性能，可以更好、更有效的利用天然纖維

2、素這種可再生材料
　　本論文基于單分子力譜技術(shù)深入研究了天然纖維素的單分子力學性能。本論文首先對天然纖維素的分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶解性以及單分子力譜技術(shù)的應用做了系統(tǒng)性的介紹及總結(jié)。然后研究了天然纖維素的本征彈性，發(fā)現(xiàn)它與常見碳碳主鏈高分子的柔順性接近，是柔性分子而不是以往所認為的剛性分子。隨后對具有α-1，4-D結(jié)構(gòu)及β-1，4-D結(jié)構(gòu)的五種多糖分子的本征彈性進行了研究，發(fā)現(xiàn)本征彈性不受側(cè)基和糖苷鍵構(gòu)象不同的影響，最后，本論文研

3、究了水環(huán)境對天然纖維素單鏈行為的影響，發(fā)現(xiàn)了天然纖維素在水中的平臺力曲線是天然纖維素單鏈的結(jié)晶和疏水力協(xié)同作用造成的，首次通過實驗發(fā)現(xiàn)天然纖維素在單分子層面上的疏水性。本文主要得到了以下結(jié)論:
　　(1)本論文利用AMIMCl溶解天然纖維素并制得天然纖維素的單分子樣品。然后利用SMFS技術(shù)獲得了天然纖維素的單鏈本征彈性。在辛烷中獲得的力曲線可以完全重合，說明了本論文獲得了天然纖維素的本征彈性。本論文利用QM-FJC模型得到的Kuh

4、n長度為0.514 nm的理論曲線可以完美擬合天然纖維素在辛烷中的實驗曲線，并且0.514 nm與天然纖維素一個吡喃糖環(huán)的長度基本一致，通過該方法也證明了本論文的確獲得天然纖維素的本征彈性。此外，盡管天然纖維素在大尺度上的剛性遠遠強于常見的合成高分子，但是本論文利用天然纖維素的理論曲線同碳碳主鏈高分子理論曲線進行對比發(fā)現(xiàn)兩者差異不大，說明了天然天然纖維素柔性與常見碳碳主鏈高分子相差無幾，打破了人們以往關(guān)于纖維素是剛性分子的認知。這一現(xiàn)象

5、揭示了天然纖維素晶體強度主要是分子組裝完成后氫鍵網(wǎng)絡的協(xié)同作用貢獻的，而不是本身剛性導致的。這一發(fā)現(xiàn)也為本論文設計納米材料提供了新的思路。
　　(2)本論文首先研究了天然纖維素、甲基纖維素和羧甲基纖維素三種主鏈結(jié)構(gòu)均為β-1，4-D結(jié)構(gòu)多糖的本征彈性，將纖維素及其衍生物在辛烷中的力曲線放在一起對比可以發(fā)現(xiàn)它們之間沒有明顯的差別，說明側(cè)基的不同對β-1，4-D結(jié)構(gòu)多糖的本征彈性沒有影響。然后本論文研究了均為α-1，4-D結(jié)構(gòu)的直鏈淀

6、粉及其衍生物羧甲基直鏈淀粉的本征彈性，它們在辛烷中的力曲線也可以完全重合，又一次證明了側(cè)基的不同對本征彈性沒有影響。最后，本論文對比了天然纖維素與直鏈淀粉的力曲線，它們也可以很好的重合在一起。這一現(xiàn)象說明了分子結(jié)構(gòu)基本相同，僅是糖苷鍵構(gòu)象上的不同對高分子的本征彈性影響微乎其微。由此，本論文第一次得到了1，4-D結(jié)構(gòu)多糖的本征彈性，并且它不受側(cè)基和糖苷鍵構(gòu)象的不同所影響。
　　(3)本論文對天然纖維素在不同環(huán)境中的力學行為進行了研究

7、，首次通過實驗發(fā)現(xiàn)天然纖維素在單分子層面上的疏水性。在常見的非極性有機溶劑辛烷中，天然纖維素表現(xiàn)出本征彈性，并且能被QM-FJC模型所擬合。然而，天然纖維素在水中卻表現(xiàn)出不同的單鏈行為，室溫下獲得的力曲線上出現(xiàn)了力值高度在85 pN左右的長平臺。水中的力曲線與辛烷中獲得的力曲線在高力區(qū)(F＞200 pN)能完全重合，這一結(jié)果表明在水中獲得的力曲線也是單分子事件，但是曲線中的平臺產(chǎn)生的原因不同于普通的彈性拉伸。進一步研究表明平臺的高度具有

8、溫度依賴性，并且，當8M尿素作為液體環(huán)境時，天然纖維素的力曲線中的不再出現(xiàn)平臺，而表現(xiàn)出與辛烷中相似的單峰。通過AFM圖像看到天然纖維素確實以緊密小球的構(gòu)象存在于基底上。依照分子結(jié)構(gòu)來看，甲基纖維素應該比天然纖維素更加疏水，但是甲基纖維素在水中的力曲線沒有平臺。以上實驗結(jié)果證明天然纖維素在水中的平臺力曲線是天然纖維素單鏈的結(jié)晶和疏水力協(xié)同作用造成的。本論文首次通過實驗發(fā)現(xiàn)天然纖維素在單分子層面上的疏水性。因為天然纖維素每個糖環(huán)上具有三個