离子液体在天然高分子材料中的应用

《离子液体在天然高分子材料中的应用》是“离子液体丛书”分册之一。本书以基础研究和应用研究为主线，系统介绍了离子液体在多种典型天然高分子中应用的最新研究成果和进展。书中较为全面地反映了该领域的研究思路、研究方法和研究成果，集中展现了相关新理论、新方法、新应用和新动态，描绘了离子液体在天然高分子中的广阔应用前景和前沿趋势。
本书适合高分子材料，特别是天然高分子材料领域从事科学研究、加工应用的工程师、科学家、技术管理人员阅读，也可供高等院校相关专业的教师、研究生、高年级本科生参考。

天然高分子是没有经过人工合成的，天然存在于动物、植物和微生物内的大分子化合物。各种多糖和蛋白质是自然界最常见的天然高分子，典型的多糖包括纤维素、淀粉、甲壳素/壳聚糖等，典型的蛋白质有丝素蛋白、胶原蛋白、角蛋白等。木质素、天然橡胶、核酸等也是重要的天然高分子。天然高分子是人类最早开始使用的高分子材料，伴随着人类文明的发展。近年来，随着全球范围碳中和政策的提出和可持续发展的需求，作为最大生物基资源的天然高分子，其开发和利用成为可持续发展高分子材料研究的重要内容。
天然高分子材料具有来源广泛、储量丰富、可再生、安全绿色、生物相容性好、生物降解性能优异等诸多优点，关于天然高分子的研究得到国际学术界和工业界的广泛关注，发展基于天然高分子的生物医用材料、可生物降解材料、纳米材料、环境处理材料等功能材料成为研究热点，相关研究已经成为绿色化学、高分子化学、农林学、生命科学、材料科学的交叉科学与前沿领域。
天然高分子体系中往往存在丰富的氢键网络，使天然高分子材料不熔化、难溶解。未改性的天然高分子材料的加工性能一般都很差，难以用常规加工的方式成型，因此限制了天然高分子材料的广泛应用。而作为新型绿色溶剂的离子液体的出现，为天然高分子的加工和利用提供了新的机遇。近20年来，随着越来越多的离子液体被发现可以用于天然高分子的溶解、加工和化学改性，离子液体在天然高分子领域的应用获得了广泛的研究，取得了许多具有重要学术价值和应用前景的研究成果。
为及时归纳和总结离子液体在天然高分子中的应用这一新兴领域的研究进展和最新动态，我们邀请了一批长期从事相关研究且具有重要学术影响的学者共同撰写了这本专著。本书搜集了大量的文献资料，汇集了该领域最新的研究成果，从天然高分子材料科学与工程的角度出发，分章论述了不同天然高分子材料的结构特点、性质，详细总结了离子液体在不同天然高分子材料的溶解、加工、化学改性以及材料创新与应用。
全书共分11章，第1章由张军（中国科学院化学研究所）负责撰写；第2章由张金明（中国科学院化学研究所）、宋广杰（中国科学院化学研究所）和张军负责撰写；第3章由彭新文（华南理工大学）、杨武（华南理工大学）、陈泽虹（华南理工大学）、邹刃（华南理工大学）负责撰写；第4章由陈沁（贵州大学）、谢海波（贵州大学）负责撰写；第5章由彭新文、甘建云（华南理工大学）负责撰写；第6章由王书军（天津科技大学）、任菲（天津科技大学）、王晋伟（天津科技大学）、谢丰蔚（宁波诺丁汉大学）负责撰写；第7章由张丽华（贵州大学）、谢海波负责撰写；第8章由谢海波、张丽华、岳旺（贵州大学）负责撰写；第9章由张丽华、邓璐璐（贵州大学）、谢海波负责撰写；第10章由郑学晶（郑州大学）负责撰写；第11章由余坚（中国科学院化学研究所）和张军负责撰写。陈林夕（中国科学院化学研究所）总结了本专著各章节涉及的离子液体英文简称、中文名称，并绘制了相应的化学结构式；杨怡洛（中国科学院化学研究所）通读了全稿并进行了文字校订；全书由张军、谢海波和彭新文统稿和校核。
衷心感谢丛书主编张锁江院士、韩布兴院士的支持和指导，感谢丛书编委会专家的支持与建议，感谢化学工业出版社各级领导和编辑的大力支持和帮助。
虽然本书所有章节的作者均是工作在相关领域的专家学者，怀着严谨和谦虚的态度花费了大量时间和精力来编著此书，但限于认识上的局限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请广大读者批评指正。

编著者

1 绪论 001-008
参考文献 007

2 离子液体在纤维素中的应用 009-076
2.1 引言 010
2.2 纤维素在离子液体中的溶解 011
2.2.1 溶解纤维素的离子液体结构 011
2.2.2 离子液体溶解纤维素的机理 014
2.2.3 纤维素的溶解过程与溶液状态 016
2.2.4 纤维素/ 离子液体溶液性质 018
2.2.5 基于离子液体体系的纤维素消晶化 021
2.2.6 离子液体中纤维素的溶液结晶行为 022
2.3 离子液体用于纤维素的加工 023
2.3.1 纤维素纤维 023
2.3.2 纤维素薄膜 027
2.3.3 纤维素凝胶 029
2.3.4 纤维素微纳材料 031
2.3.5 纤维素涂层 032
2.3.6 全纤维素复合材料 033
2.3.7 纤维素复合材料 036
2.4 基于离子液体溶剂的纤维素均相衍生化反应 039
2.4.1 纤维素酯化反应 040
2.4.2 纤维素醚化反应 048
2.4.3 纤维素接枝共聚反应 050
2.5 结论与展望 053
参考文献 054

3 离子液体中半纤维素的溶解与改性 077-104
3.1 引言	078
3.2 半纤维素的结构与分离纯化	078
3.2.1 半纤维素在植物细胞壁中的分布与结构分类	079
3.2.2 半纤维素的分离纯化	083
3.3 半纤维素在离子液体溶剂体系中的溶解	085
3.4 半纤维素在离子液体溶剂体系中的改性	087
3.4.1 半纤维素在离子液体溶剂体系中的酯化改性	088
3.4.2 半纤维素在离子液体溶剂体系中的接枝共聚改性	090
3.5 半纤维素在离子液体溶剂体系中的催化转化	091
3.5.1 半纤维素在离子液体溶剂体系中的水解	091
3.5.2 半纤维素在离子液体溶剂体系中转化为糠醛	092
3.5.3 半纤维素在离子液体溶剂体系中的酶催化转化	094
3.6 离子液体溶剂体系中半纤维素功能材料的构建	096
3.6.1 半纤维素基生物医药材料	097
3.6.2 半纤维素基吸附材料	098
3.6.3 其他半纤维素功能材料	099
3.7 结论与展望	100
参考文献	100

4 离子液体在木质素化学中的应用 105-146
4.1 引言	106
4.2 木质素及生物炼制的关键问题	107
4.3 离子液体中木质素的溶解、结构解析及组分分离	109
4.3.1 木质素在非质子型离子液体中的溶解	110
4.3.2 木质素在质子型离子液体中的溶解	112
4.3.3 离子液体用于木质素结构解析	114
4.3.4 离子液体用于木质素的组分分离	114
4.3.5 离子液体对木质素结构的影响	118
4.4 离子液体中木质素及木质素模型化合物的催化转化	121
4.4.1 木质素及其模型化合物的酸催化降解	121
4.4.2 木质素及其模型化合物的碱催化降解	125
4.4.3 离子液体中木质素及其模型化合物的加氢还原	125
4.4.4 离子液体体系中木质素及其模型化合物的氧化转化	127
4.4.5 电催化降解木质素及其模型化合物	131
4.4.6 其他降解木质素的方法	134
4.5 离子液体中木质素衍生化材料的制备	136
4.5.1 木质素凝胶材料的制备	136
4.5.2 木质素羟基衍生化材料的制备	138
4.5.3 木质素基电化学材料的制备	139
4.6 结论与展望	140
参考文献	141

5 离子液体在木质纤维素生物质中的应用 147-184
5.1 引言	148
5.2 木质纤维素在离子液体中的溶解	150
5.3 木质纤维素在离子液体中溶解的机理及影响因素	152
5.3.1 木质纤维素溶解机理	152
5.3.2 影响木质纤维素溶解的因素	153
5.4 离子液体在木质纤维素中的应用	155
5.4.1 预处理制糖与发酵	155
5.4.2 转化为平台化学品	160
5.4.3 木质纤维素分馏	161
5.4.4 制备纤维素纤维	166
5.4.5 制备木质纤维素凝胶	167
5.4.6 制备木质纤维素膜材料	169
5.4.7 制备木质纤维素复合材料	173
5.4.8 制备木质纤维素衍生化功能材料	174
5.5 结论与展望	176
参考文献	177

6 离子液体在淀粉化学中的应用 185-218
6.1 引言	186
6.2 淀粉结构和功能性质	187
6.3 淀粉在离子液体溶剂体系中的溶解	188
6.3.1 淀粉在纯离子液体中的溶解	190
6.3.2 淀粉在离子液体水溶液中的溶解	191
6.3.3 淀粉在离子液体与其他溶剂的混合溶液中的溶解	193
6.4 淀粉在离子液体与水混合溶液中的相转变	194
6.4.1 淀粉在离子液体与水混合溶液中的相转变过程	195
6.4.2 淀粉在离子液体-水混合溶液中相转变过程中的结构变化	196
6.4.3 淀粉在离子液体-水混合溶液中的相转变机理	197
6.5 淀粉在离子液体溶剂体系中的改性	198
6.5.1 淀粉在纯离子液体中的改性	198
6.5.2 淀粉在离子液体与其他溶剂混合溶液中的改性	201
6.6 淀粉在离子液体溶剂体系中的塑化	202
6.6.1 淀粉在纯离子液体中的塑化	203
6.6.2 淀粉在离子液体与其他溶剂混合溶液中的塑化	204
6.7 离子液体中淀粉纳米颗粒的制备	205
6.8 离子液体在淀粉中的其他应用	207
6.8.1 还原糖的转化	208
6.8.2 5-羟甲基糠醛（HMF）的转化	209
6.8.3 导电材料的构建	210
6.8.4 药物载体的开发	210
6.8.5 抑菌材料的制备	210
6.9 结论与展望	211
参考文献	211

7 离子液体在甲壳素/壳聚糖中的应用 219-258
7.1 引言	220
7.2 甲壳素/壳聚糖的来源、结构及基本性质	221
7.2.1 甲壳素的来源及结构	221
7.2.2 壳聚糖的制备及结构	223
7.2.3 甲壳素/壳聚糖的基本性质	224
7.3 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的溶解	228
7.3.1 离子液体溶解甲壳素	230
7.3.2 利用离子液体直接从虾、蟹壳中提取甲壳素	231
7.3.3 离子液体溶解壳聚糖	233
7.3.4 溶解机理	234
7.4 利用离子液体制备甲壳素/壳聚糖再生材料	235
7.4.1 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的再生	235
7.4.2 甲壳素/壳聚糖薄膜	236
7.4.3 甲壳素/壳聚糖凝胶	238
7.4.4 甲壳素/壳聚糖纤维	241
7.5 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的均相衍生化	242
7.5.1 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的酰化反应	243
7.5.2 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的接枝共聚反应	244
7.5.3 壳聚糖在离子液体中的席夫碱反应	246
7.5.4 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的化学交联	246
7.6 甲壳素/壳聚糖在离子液体中的催化转化	247
7.6.1 甲壳素/壳聚糖降解为低聚糖和单糖	247
7.6.2 甲壳素/壳聚糖转化为平台小分子化合物	249
7.7 结论与展望	250
参考文献	250

8 离子液体在丝素蛋白中的应用 259-282
8.1 引言	260
8.2 丝素蛋白的组成与结构特征	260
8.3 丝素蛋白在离子液体中的溶解	262
8.4 丝素蛋白/离子液体溶液的性质	267
8.5 基于离子液体溶解体系的再生丝素蛋白材料	269
8.5.1 再生丝素蛋白薄膜材料	270
8.5.2 再生丝素蛋白凝胶材料	272
8.5.3 再生丝素蛋白纤维材料	274
8.5.4 再生丝素蛋白纳米材料	276
8.6 结论与展望	276
参考文献	277

9 离子液体在角蛋白中的应用 283-310
9.1 引言	284
9.2 角蛋白的组成与结构特征	285
9.3 角蛋白在离子液体中的溶解	287
9.3.1 利用离子液体提取羊毛角蛋白	288
9.3.2 利用离子液体提取其他角蛋白	293
9.3.3 温度对角蛋白提取的影响	296
9.3.4 助剂对角蛋白提取的影响	296
9.3.5 离子液体溶解角蛋白的机理	298
9.4 利用离子液体制备角蛋白基材料	300
9.4.1 再生角蛋白薄膜	300
9.4.2 再生角蛋白纤维	301
9.4.3 再生角蛋白凝胶	303
9.4.4 离子液体中角蛋白的水解	304
9.5 结论与展望	304
参考文献	305

10 离子液体在胶原蛋白中的应用 311-342
10.1 胶原简介	312
10.1.1 胶原的分类	312
10.1.2 胶原的结构	314
10.2 胶原的常规提取与溶解方法	317
10.3 胶原在离子液体中的溶解与再生	319
10.4 离子液体与胶原大分子的相互作用	324
10.5 基于离子液体技术的胶原材料	328
10.5.1 在生物医用材料中的应用	328
10.5.2 在皮革工业中的应用	330
10.5.3 在吸附材料中的应用	333
10.5.4 在功能材料中的应用	334
10.6 结论与展望	337
参考文献	338

11 离子液体在其他天然多糖中的应用 343-383
11.1 离子液体用于其他天然多糖的溶解与萃取	344
11.1.1 其他天然多糖在离子液体中的溶解	344
11.1.2 离子液体用于天然多糖的萃取	352
11.2 离子液体用于多糖的反应	354
11.2.1 多糖硫酸酯化	354
11.2.2 多糖有机酸酯化	354
11.2.3 多糖醚化	355
11.2.4 多糖对聚合物的接枝改性	355
11.2.5 离子液体聚合	355
11.2.6 离子热介质	356
11.3 多糖高分子缠结分子量的测定	356
11.4 离子凝胶	359
11.4.1 离子凝胶与水凝胶	361
11.4.2 复合离子凝胶	362
11.4.3 离子凝胶性质	362
11.5 多糖-离子液体体系的应用	365
11.5.1 吸附与负载	365
11.5.2 降解离子液体	369
11.5.3 传感、检测和电致变色	370
11.5.4 直接电化学	371
11.5.5 多糖/离子液体基聚合物电解质	376
11.6 结论与展望	377
参考文献	378

附录 本书离子液体速查表 384-393

索引 394-395