类型a：学术研究报告

作者及发表信息
本研究的作者包括Jiqiang Wan、Huailing Diao、Jian Yu、Guangjie Song和Jun Zhang，研究发表于学术期刊《Carbohydrate Polymers》2021年5月15日第260卷，文章标题为“A biaxially stretched cellulose film prepared from ionic liquid solution”。

学术背景
纤维素（cellulose）作为最丰富的生物材料，因其可再生和可降解的特性受到广泛关注。然而，纤维素加工面临巨大挑战，因其无法熔化且难以溶于普通溶剂，传统粘胶法（viscose process）虽广泛应用但存在高污染、高能耗等问题。近年来，离子液体（ionic liquids, ILs）因其优异的溶解能力、低挥发性及可回收性，成为纤维素加工的绿色溶剂替代方案。本研究旨在通过离子液体溶液制备双向拉伸纤维素薄膜（biaxially stretched cellulose film），优化其结构与性能，并探索其在高端包装和功能薄膜基材中的应用潜力。

研究流程
1. 材料制备与单向拉伸凝胶膜形成
- 以棉浆（cotton pulp, DP=650）和离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（AMIMCl）为原料，按1:9质量比混合，通过双螺杆挤出机（120°C）溶解，形成10 wt%纤维素溶液。
- 溶液经狭缝模头挤出后进入凝固浴（50%水/50% AMIMCl混合液，25°C），以20 m/min速度拉伸形成单向拉伸凝胶膜（machine direction, MD）。凝胶膜中离子液体浓度约为50 wt%，经切割后用于后续双向拉伸。

1. 双向拉伸薄膜制备

   • 使用自制双向拉伸设备，将凝胶膜（90 mm×90 mm）固定后横向拉伸（transverse direction, TD），拉伸比（TSR）分别为1、1.25、1.5、1.75和2，拉伸速度75 mm/min。
     
   • 拉伸后的凝胶膜经水洗去除离子液体，自然干燥后获得双向拉伸纤维素薄膜。通过能量色散谱（EDS）确认无离子液体残留。
     

2. 性能与结构表征

   • 力学性能：使用万能试验机测试薄膜的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率。
     
   • 热膨胀系数（CTE）：通过热机械分析仪（TMA）测定。
     
   • 结构分析：
     
     • 扫描电镜（SEM）：观察超临界二氧化碳干燥后的凝胶膜表面形貌，分析微纤维取向。
       
     • 双折射仪：测定薄膜平面双折射（δn）和平均取向因子。
       
     • 二维X射线衍射（2D-XRD）：分析晶体取向和结晶度。
       

主要结果
1. 力学性能与热膨胀行为
- 未横向拉伸（TSR=1）时，薄膜的MD拉伸强度（162 MPa）显著高于TD（69 MPa），弹性模量分别为6 GPa和3.5 GPa。随着TSR增加，TD性能显著提升：TSR=1.75时，TD拉伸强度达166 MPa，弹性模量7 GPa，且MD性能保持稳定。
- 热膨胀系数（CTE）在TSR=1时TD为39 ppm/K，MD为20 ppm/K；TSR=1.75时，TD CTE降至20 ppm/K，与MD趋于平衡，表明双向拉伸实现了性能均一化。

1. 结构调控机制
   
   • SEM显示，TSR=1时微纤维主要沿MD单向排列；TSR=1.75时转为均匀平面取向（homogeneous planar orientation）。
     
   • 双折射和2D-XRD证实，TSR=1.75时薄膜链轴达到平面取向，且结晶度约为39%。过度拉伸（TSR=2）会导致TD单向取向重现。
     

结论与价值
本研究通过离子液体工艺成功制备了高性能双向拉伸纤维素薄膜，其关键创新点包括：
1. 工艺优化：通过横向拉伸调控微纤维取向，实现力学与热性能的平衡，拉伸强度达160 MPa，CTE低至20 ppm/K，优于传统再生纤维素薄膜。
2. 结构解析：揭示了双向拉伸对纤维素链取向的调控机制，为功能性纤维素材料设计提供理论依据。
3. 应用潜力：该薄膜在透明包装、柔性电子基材等领域具有应用前景，且离子液体的绿色加工特性符合可持续发展需求。

研究亮点
- 方法创新：首次结合离子液体溶解与双向拉伸技术，开发环境友好型纤维素薄膜制备工艺。
- 性能突破：通过TSR=1.75的优化条件，实现薄膜双向性能均衡，拉伸强度与铝金属相当。
- 结构表征：综合运用SEM、双折射和2D-XRD，多尺度解析纤维素链取向与性能的关联性。

其他价值
研究还发现，离子液体AMIMCl可高效溶解废报纸（含60%纤维素），为废弃物高值化利用提供了新思路。此外，超临界干燥技术有效保留了凝胶膜的微纤维网络结构，为后续研究提供了重要方法参考。