碱性预处理对纤维素浆粕纤维溶解的影响：基于偏振光显微镜和差示扫描量热法的动力学研究

本研究针对纤维素溶解过程中碱处理和干燥导致的角质化抑制问题，创新性地结合偏振光显微镜（PLM）和差示扫描量热法（DSC）技术，系统探究了NaOH溶剂体系中软木硫酸盐浆的溶解动力学。研究发现10%以上碱处理会显著降低纤维溶解性，而150°C烘箱干燥虽减少纤维溶胀但未影响溶解参数，为再生纤维素材料生产提供了重要工艺优化依据。

　　

纤维素作为自然界最丰富的可再生资源，在纺织、医用支架和可降解包装等领域具有巨大应用潜力。然而这种由β-D-吡喃葡萄糖单元构成的线性高分子存在先天缺陷——其分子链间密集的氢键网络和刚性结构导致熔融前即分解，必须通过溶解工艺才能加工成型。但纤维素溶解面临两大难题：一是常见溶剂难以破坏其结晶区，二是预处理过程中的碱暴露或干燥会引发"角质化"现象（hornification），即微纤维聚集和孔隙塌陷，进一步阻碍溶解效率。尽管近年开发的NaOH/尿素、NaOH/ZnO等溶剂体系展现出溶解潜力，但关于碱处理如何影响纤维素溶解动力学的机制研究仍存在空白。

针对这一科学难题，芬兰阿尔托大学（Aalto University）生物制品与生物系统系的研究团队创新性地将偏振光显微镜（PLM）与差示扫描量热法（DSC）联用，对酸水解处理的软木硫酸盐浆开展了系统性研究。通过动态降温实验（-10°C/min），团队首次实现了从宏观纤维溶解到微观能量变化的全过程监测，相关成果发表在《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》期刊。

研究采用四大关键技术：1）多浓度NaOH（0-15%）预处理结合酸水解制备样本；2）偏振光显微镜实时追踪纤维双折射信号衰减以表征溶解进程；3）DSC定量测定溶解过程焓变；4）结合广角X射线散射（WAXS）和拉曼光谱解析晶体结构转变。此外通过水保留值（WRV）和热孔隙法测定非冻结水（NFW）含量，全面评估纤维溶胀特性。

化学与晶体结构变化

WAXS和拉曼光谱证实10%及以上NaOH处理使纤维素I型（平行链）转变为II型（反平行链），结晶度从79.2%（未处理）降至72.5%。拉曼特征峰位移（380 cm^-1→577 cm^-1）表明分子链重组形成更稳定的氢键网络。

形态与孔隙特性

SEM显示碱处理使纤维表面微纤结构消失，形成褶皱形貌。孔隙分析揭示10%NaOH处理使WRV提升近一倍（1.8→3.4 g/g），NFW线性增加，但后续150°C干燥导致WRV骤降50%，证实角质化发生。

溶解动力学特征

PLM数据显示：2%NaOH处理仅延缓溶解，而10-15%处理则完全抑制溶解。尿素添加剂可部分恢复碱处理样本的溶解性，ZnO则无效。反常的是，虽然烘箱干燥降低WRV，但溶解性能反提升，暗示溶胀与溶解存在非线性关系。DSC检测到未处理样本在0°C即开始放热溶解（39.1 J/g），而碱处理样本溶解起始温度降至-12°C且焓变锐减80%，印证纤维素II型的热力学稳定性。

这项研究通过多尺度分析揭示了碱处理诱导的纤维素II型结晶是溶解抑制的主因，而传统认为的角质化指标（WRV下降）未必对应溶解性降低。方法学上开创的PLM-DSC联用技术为纤维素溶解研究提供了新范式，尤其为纺织废料回收中碱处理工艺的优化提供了理论依据。研究同时指出，尿素添加剂对碱处理纤维的特异性活化作用，以及干燥工艺对局部溶剂浓度的调控效应，为工业溶解过程的高效设计指明了方向。