DBU/DMSO体系用于生物质纳米
纤维的制备与功能化
摘要
生物质材料普遍都具有定向的生物纳米纤维(NFs)或纳米晶(NCs)结构，所谓纳
02
米纤维或纳米晶的一维直径最小为10-10nm，具有结构稳健性以及一定的物理化学
活性和生物功能性，是维持生物体必要生理活动的核心结构。通过抑制生物质材料
内部的强相互作用(如氢键和范德华力)，这些纳米材料可以从生物质原料中剥离出
来，作为可持续的绿色高分子材料在能源、光学、环境修复和生物医学等方面广泛
应用。然而，面对不同的生物质来源，其对应的纳米材料制备方法却不尽相同，且
在制备过程中普遍依赖于侵入性的化学处理和高耗能的机械剪切，这大大提高了生
物质纳米材料的制备难度与成本，严重限制了生物质纳米材料的应用。针对目前生
物质纳米纤维在制备中存在的问题，我们提出使用1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-
烯(DBU)的二甲亚砜(DMSO)作为一种通用的、可回收的、非侵入性的去质子化溶液
体系，对不同多糖或氨基酸基生物质材料进行夺质子化处理与剥离，制备原始的生
物质纳米纤维。进一步探索了在该溶剂体系中对生物质纳米纤维进行同步改性的可
行性，为生物质纳米纤维的高值化、功能化利用提供了重要研究基础。主要研究内
容如下：
(1)利用DBU/DMSO体系对不同多糖或氨基酸基生物质材料表面的亚胺基、羟
基和羧基进行去质子化处理，产生表面负电荷，并基于此使其溶胀，后配合物理机
械处理制备生物质纳米原纤维。过程中我们探索了不同生物质材料在溶胀过程中体
系黏度和电导率的变化，并重点以微晶纤维素(MCC)为例，通过控制变量法系统地
研究了反应时间、反应温度以及DBU含量对纳米原纤维表面Zeta电位和产率的影
响。通过扫描电子显微镜(SEM)表征了溶胀前后生物质材料表面的微观形貌变化。同
时，采用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对不同生物质纳米纤维的形貌
进行表征对比。最后，结合Gaussian模拟和WAXS表征对该方法的反应机理做了解
释与阐明。
(2)在DBU/DMSO溶胀生物质材料的基础上，以DBU作为催化剂实现纳米纤维
的原位改性，生成具有特定功能化的生物质纳米纤维。例如，当丁二酸酐(SA)、邻
苯二甲酸酐(PA)或联苯酸酐(DA)共存于DBU/DMSO体系时，这些生物质可以在机
械剪切(如手动摇动、超声和均质)下剥离并生成带有羧基的生物质纳米纤维。研究了
不同酸酐种类以及酸酐含量对纳米纤维表面电荷和产率的影响，并利用广角X-射线
散射(WAXS)、X射线光电子能谱技术(XPS)等表征手段结合Gaussian软件模拟，探
究了酸酐分子尺寸与纳米纤维产率之间的联系，重点讨论了不同酸酐在纳米纤维表
面电荷和产率方面存在差异的原因——酸酐开环后表面负电荷与空间体积共同作用
的结果。
(3)以羟乙基螺吡喃(SP-OH)作为功能化分子，通过酯交换法在羧基化纳米纤维
的基础上进行改性，利用SP-OH在紫外光照下化学结构的变化，制备出具有光响应
性与湿度响应性的生物质纳米纤维。针对这种功能性纳米纤维，我们首先采用真空
抽滤的方式制备出SP-OH接枝的纳米纤维薄膜，研究了该薄膜的光致发光、光致变
色以及亲水性差异。其次，依赖于该薄膜的光致发光和光致变色性质，我们利用打
印机喷墨打印，探索了这种功能性纳米纤维在信息加密方面的应用。最后，通过逐
层抽滤的方法，制备出由羧基纳米纤维与SP-OH接枝纳米纤维共同组成的双层异质
薄膜，利用薄膜两侧吸湿引起的体积变化，该异质薄膜可在梯度湿度与可见光和紫
外光切换照射下实现可逆的驱动行为，为信息加密提供了一种新的手段——三维信
息加密。
关键词生物质纳米纤维；去质子化；功能化剥离；光响应性；湿度响应性；三维
信息加密
DBU/DMSOSYSTEMISUSEDFORTHE
PREPARATIONAND
FUNCTIONALIZATIONOFBIOLOGICAL
NANOFIBRILS