開發(fā)環(huán)境友好型新材料已成為全球性共識,生物質材料的合理開發(fā)和利用受到廣泛關注。纖維素廣泛存在于生物質材料的細胞壁中,經化學純化和納米解纖化處理,可將納米纖維素(CNF)從生物質材料的細胞壁中剝離出來,再經過冷凍干燥處理可制備輕質多孔氣凝膠材料。通常,氣凝膠由無機材料,如二氧化硅等制成,但是二氧化硅氣凝膠較脆并且易碎,即使在較低的拉伸或壓縮應力下也容易破裂。近年來,纖維素氣凝膠備受關注。但是,傳統(tǒng)的纖維素氣凝膠存在熱穩(wěn)定性差、彈性低等缺陷,這大大限制了纖維素氣凝膠的綜合應用。在本研究中,我們分別從棉花、木材、竹材和稻秸四種不同類型的生物質材料中制備高長徑比的納米纖維素,以納米纖維素為基本構筑單元制備氣凝膠。通過對比氣凝膠的結構與性能差異,明確不同生物質衍生的納米纖維素在構筑氣凝膠過程中的相關科學機理,以期為開發(fā)結構性能優(yōu)異的納米纖維素氣凝膠材料建立一定的科學基礎。所取得的主要研究成果總結如下:(1)研究了從不同生物質原料中制備的納米纖維素的結構與性能差異:以棉花為原料制備的納米纖維素(Co-CNF)的α-纖維素含量接近100%,而木材、竹材和稻秸納米纖維素(Wo-CNF、Ba-CNF和Rs-CNF)中的α-纖維素含量分別為83.6%、84.3%和82.1%。Co-CNF 的數均聚合度為 2270,高于 Wo-CNF(1910)、Ba-CNF(1690)和Rs-CNF(1880)。在流變性能分析過程中,所有納米纖維素水懸浮液均表現出彈性行為,并且其流變性能幾乎不受溫度影響;(2)通過對四種納米纖維素氣凝膠的力學性能對比研究,發(fā)現源于0.5wt%的納米纖維素水懸濁液制備出的氣凝膠具有相對較高的比壓縮強度和模量。棉花、木材、竹材和稻秸納米纖維素氣凝膠(CoNA-05、WoNA-05、BaNA-05和RsNA-05)的比壓縮強度分別為10.5、16.3、14.1和12.6 MPa·g-1·cm3。CoNA-05具有更高的柔韌性和彈性,循環(huán)壓縮20次后仍可回彈至原始高度的～70%,而其它三種氣凝膠的彈性則相差甚遠;(3)通過對四種納米纖維素氣凝膠的熱學性能對比研究,發(fā)現所有納米纖維素氣凝膠的熱降解溫度均在300℃以上。因CoNA-05中幾乎不含半纖維素,CoNA-05展現出最高的熱穩(wěn)定性,在空氣、氮氣中的熱降解溫度分別為318.8℃和333.2℃。納米纖維素氣凝膠的熱導率隨著孔隙率的上升而下降。在25℃時,CoNA-05的導熱率為0.0442 W·m-1 K-1,此溫度下的熱導率與其它三種氣凝膠相差不大;(4)借助原位聚合策略在納米纖維素表面構筑聚吡咯,所得復合氣凝膠中的納米纖維素仍然展現出天然纖維素的結晶構造,并保證復合氣凝膠的力學強度。而聚吡咯的引入顯著提高了復合氣凝膠的導電性能。通過高溫碳化處理,所得碳氣凝膠展現出優(yōu)異的電化學性能。其中,作為鈉離子電池的電極,源于棉花納米纖維素的復合碳氣凝膠的電化學性能優(yōu)于木材納米纖維素碳氣凝膠復合電極。
【學位單位】：東北林業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ427.26
【部分圖文】：

Ｔｉ０２晶格畸變產生缺陷，氣凝膠變?yōu)橛H水材料，水接觸角甚至降至０°，并具逡逑有超吸水性，可以吸收自身重量１６倍的水。繼續(xù)將復合氣凝膠置于暗處存儲后，能夠逡逑緩慢恢復其初始的不吸水性和疏水性，接觸角變化如圖１－２所示。微納米復合氣凝膠的逡逑多尺度、粗糙和多孔形貌，對其在不同狀態(tài)下的吸水和潤濕行為的變化起重要的促進作逡逑用。由于纖維素分子鏈上的羥基含量豐富，可以對其進行酯化，醚化或接枝處理，獲得逡逑疏水材料。Ｗａｇｂｅｒｇ等［６３］經過氟氯硅烷高溫氣相反應，在氣凝膠上沉積，對改性氣凝膠逡逑的疏油性進行考察發(fā)現未改性的纖維素膜和氣凝膠能夠被低表面張力的蓖麻油完全潤逡逑濕，改性后ＣＮＦ膜對蓖麻油的接觸角提高到９６°，表現出疏油性，而密度大于０．３逡逑ｍｇ，ｃｎ＾３的氣凝膠改性后，對蓖麻油的接觸角更是高達１６６°，說明氣凝膠多孔粗糙的表逡逑面形貌和含氟分子的低表面能對氣凝膠的疏油性有協(xié)同作用。逡逑１．１．３．４電／磁材料逡逑將氣凝膠或碳氣凝膠浸泡在金屬化合物水溶液中，經過化學或電化學還原，原位生逡逑成附著在纖維素骨架上的無機納米顆粒，或是浸泡在含有導電粒子的溶液中，可得到具逡逑有電磁特性的復合氣凝膠

＇，聚苯胺以納米片層的形式自組裝在納米逡逑纖維素上，隨著聚合溫度升高納米片層變大，片層上的微孔即為能量儲存單元（如圖１－逡逑３ｉ）。此種氮摻雜的碳納米片層通常具有更高的比表面積，增加了更多儲能的活性位逡逑點、縮短了離子擴散路徑，實現了自身內阻小并且在不同掃描速率下仍保持較高的電逡逑容，１００００次循環(huán)測試后比電容仍保留為原來的９９％。Ｉｋｋａｌａ等［６４］以柔性的ＣＮＦ氣凝膠逡逑為模板，將其浸泡在導電聚合物聚苯胺與摻雜劑的甲苯溶液中，并隨后進行真空干燥，逡逑得到的導電氣凝膠保持了原有的孔結構而不坍塌，在極低的聚苯胺含量下（０．１邋ｖｏｌ％）逡逑即可得到較高電導率（？ｌＣ＾Ｓｘｎｆ１）的柔性多孔納米纖維素基氣凝膠，并且具備在傳感逡逑導電、醫(yī)學以及制藥等領域應用的潛能。逡逑]嬪義蟸栧義賢跡保誠婦宋仄杭捌涮計旱奈⒐勱峁梗郟常矗蒎義希攏澹潁紓瑁恚淶齲郟叮擔堇媚擅紫宋胤腫恿瓷系難踉佑虢鶚粞衾胱又淶吶技饔�，将辶x夏擅紫宋仄褐糜諏蛩嵫翹然艿乃芤褐

本文編號：2811611