安塞姆·佩恩獎(jiǎng)，國際纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，每年評(píng)選一位。今年3月29日，美國化學(xué)會(huì)纖維素和可再生資源材料分會(huì)宣布，該獎(jiǎng)項(xiàng)迎來半個(gè)世紀(jì)以來獲得此項(xiàng)殊榮的第一位中國人––武漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授張俐娜。至此，又一項(xiàng)推動(dòng)紡織行業(yè)綠色革命的技術(shù)––纖維素水體系低溫溶解，鼓舞了紡織行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能減排的士氣。

　　用尿素、氫氧化鈉和水作為溶劑，預(yù)冷至-12℃，將極難溶解的纖維素放進(jìn)去，兩分鐘便化為粘液，頑固的天然高分子就這樣被“征服”了。武漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授張俐娜帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)這種“神奇而又簡(jiǎn)單”的水溶劑體系，敲開了纖維素科學(xué)基礎(chǔ)研究通往纖維素材料工業(yè)的大門，也捧回了國際上纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)。

　　她們創(chuàng)建的“綠色”溶劑低溫溶解的新理論和技術(shù)是可再生資源材料領(lǐng)域的重大突破，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到工業(yè)化試驗(yàn)的神話般故事。這種由堿和尿素組成的混合水溶液不揮發(fā)、無毒、對(duì)環(huán)境無污染，而且它成本低、溶解快速，這種溶劑在纖維素技術(shù)中有巨大的潛力。這是國際上對(duì)張俐娜及其團(tuán)隊(duì)的評(píng)價(jià)。

　　一直致力于生物質(zhì)資源天然高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的張俐娜帶領(lǐng)她的團(tuán)隊(duì)突破了用有機(jī)溶劑加熱溶解的傳統(tǒng)方法，提出一種水體系低溫溶解高分子的“綠色”方法和新概念，將棉短絨、蔗渣、蝦殼、蟹殼等農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袑?shí)用價(jià)值的新材料。通過這種方法，廢棄物可以變身為舒適的面料、可降解的薄膜、日用品和生物醫(yī)學(xué)材料等。與傳統(tǒng)的溶解技術(shù)相比，纖維素低溫溶解理論究竟“綠色”在哪里?對(duì)紡織行業(yè)的影響有多大?對(duì)此，本報(bào)記者對(duì)張俐娜教授進(jìn)行了專訪。

　　-12℃2分鐘最快溶解速度

　　“我國目前生產(chǎn)人造絲和玻璃紙使用的粘膠法需要大量使用二硫化碳，這給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。我們發(fā)明了一種新的纖維素溶劑-7%氫氧化鈉(NaOH)/12%尿素水溶液。該溶劑冷卻到-12℃時(shí)，能迅速溶解纖維素(其分子量在1.2×105以下)，溶解時(shí)間僅需2分鐘，達(dá)到纖維素歷史上最快的溶解速度。我們用變溫FT-IR光譜、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)光散射(LLS)、透射電鏡(TEM)、X-射線衍射(XRD)和15N-及13C-NMR研究了纖維素溶解過程和低溫溶解機(jī)理。”張俐娜介紹說。

　　他們用實(shí)驗(yàn)證明，NaOH水合物很容易與纖維素形成氫鍵而直接連結(jié)到纖維素分子鏈上，形成以尿素為主體包合纖維素-NaOH客體的蠕蟲狀包合物。這種由氫鍵驅(qū)動(dòng)的大分子和溶劑之間自組裝形成的復(fù)合物在低溫下處于高度穩(wěn)定狀態(tài)。由此得出，纖維素在低溫下溶解是由溶劑小分子(氫氧化鈉、尿素、水)和纖維素大分子之間動(dòng)態(tài)自組裝引起，這不僅拓寬了高分子溶解理論，而且提出了低溫溶解的新概念。在水體系中，低溫溶解無任何化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)，因此這是清潔的生產(chǎn)過程。

　　可制備多種纖維素制品

　　低溫溶解后的纖維素溶液如何得到更好的應(yīng)用?這恐怕是企業(yè)最為關(guān)注的話題。張俐娜和她的團(tuán)隊(duì)也就其實(shí)用性展開了深入研究，新型纖維素絲、纖維素膜、纖維素磁性材料、纖維素水凝膠的研發(fā)成功，為纖維素科學(xué)的基礎(chǔ)研究走上材料工業(yè)化道路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　“利用這種纖維素溶液，我們通過小型中試設(shè)備成功紡出新型再生纖維素絲。它具有圓形截面(類似天絲)，以及光滑的表面和優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗張強(qiáng)度已接近商品粘膠絲，工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)備后可以大大提高絲的強(qiáng)度。”張俐娜告訴記者，這種無污染、成本低廉、生產(chǎn)周期短的生產(chǎn)再生纖維素絲的新方法，有望取代目前污染嚴(yán)重的粘膠法。

　　同樣，張俐娜的團(tuán)隊(duì)用這種纖維素溶液制備出透明膜、熒光膜和發(fā)光膜。她表示，基于纖維素水體系的親和性，堿土鋁鹽等發(fā)光無機(jī)粒子可均勻分散在纖維素水溶液中。同時(shí)，膜成型后該無機(jī)納米粒子可牢固地埋在纖維素基底中形成發(fā)光膜，它在日光照射10分鐘后，可在黑暗中放光10小時(shí)，是極具前途的信息材料。這些透明膜和熒光膜在土壤中可完全生物降解，未來同樣可以作為環(huán)保的包裝和特種包裝材料。

　　“基于纖維素溶解度對(duì)分子量和溫度的依賴性，我們還制備出納米纖維素晶須增強(qiáng)的再生纖維素膜。這種膜的強(qiáng)度高達(dá)157MPa，而且具有良好的生物可降解性。”張俐娜補(bǔ)充道。

　　利用纖維素絲或膜在濕態(tài)下的多孔結(jié)構(gòu)，張俐娜的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了微納孔穴原位合成無機(jī)磁性納米材料的新途徑。在濕態(tài)纖維素絲中通過原位合成制備出含氧化鐵納米粒子的磁性纖維。該磁性纖維素絲具有優(yōu)良的力學(xué)性能、吸收紫外線的能力以及超順磁性。

　　特別是在600℃下將這種磁性纖維素絲煅燒后，可制出純的氧化鐵纖維狀納米材料，由于其優(yōu)良的電化學(xué)活性和很高的釋放電量能力，氧化鐵纖維狀納米材料可在電、磁功能材料領(lǐng)域發(fā)揮作用。

　　此外，纖維素鏈具有半剛性特點(diǎn)，“我們利用它作為凝膠孔洞的壁，構(gòu)建高強(qiáng)度、大孔的纖維素水凝膠。由纖維素和羧甲基纖維素制備的大孔水凝膠的吸水能力可達(dá)1000倍，且本身能保持良好的形狀;這種水凝膠在不同溶液中顯示不同溶脹比，同樣可具有智能行為。”張俐娜詳細(xì)介紹了這幾種新型的纖維素制品。

　　工業(yè)化試驗(yàn)后推向市場(chǎng)

　　關(guān)于低溫溶解技術(shù)的大范圍應(yīng)用，第二屆國際纖維素會(huì)議主席、日本東京大學(xué)教授S.Kuga(空閑重則)曾評(píng)價(jià)它為“最容易工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)”。

　　據(jù)張俐娜介紹，纖維素低溫溶解技術(shù)正在進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，其中，湖北化纖集團(tuán)有限公司已經(jīng)將纖維素溶液紡出長絲，隨后他們與江蘇海安申菱電器公司合作取得了該項(xiàng)目的初步工業(yè)化試驗(yàn)成果。在中國工程院相關(guān)院士的建議下，張俐娜的團(tuán)隊(duì)目前與唐山三友化纖股份有限公司合作，期待將這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)最終推向市場(chǎng)。

　　在該技術(shù)的應(yīng)用成本方面，“它的價(jià)格略低于粘膠絲的成本，對(duì)于紡織企業(yè)在新的技術(shù)與成本投入上也沒有過多的要求。”張俐娜給出這樣的回答，“在NaOH/尿素水溶劑中，纖維素低溫溶解技術(shù)本身的應(yīng)用成本應(yīng)該說比較低，今后在不同紡織企業(yè)的應(yīng)用上如何控制成本，要視企業(yè)的具體情況而定。”

　　纖維素低溫溶解技術(shù)既低碳環(huán)保又價(jià)格實(shí)惠，對(duì)于它的市場(chǎng)前景，張俐娜十分樂觀，“我國的紡織行業(yè)這么龐大，如果能把生物質(zhì)資源溶解進(jìn)行紡絲織布，那得為國家節(jié)約多少資源呀。”看來，這不僅是一項(xiàng)推動(dòng)紡織業(yè)技術(shù)革命的新技術(shù)，更是我國紡織行業(yè)在“十二五”期間實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展的敲門磚之一。