生物質(zhì)納米纖維素及其自聚集氣凝膠的制備與結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、在可持續(xù)發(fā)展觀已成為全球性共識(shí)的環(huán)境背景下，合理開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)材料日漸受到關(guān)注。生物質(zhì)材料是由納米纖維素所支撐的，將納米纖維素從生物質(zhì)材料中分離出來(lái)，利用其高比表面積、高強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，可開(kāi)發(fā)出多種納米纖維素基制品，這些材料有望在今后人們生產(chǎn)和生活的諸多方面獲得應(yīng)用。本論文集中闡述了生物質(zhì)納米纖維素的制備、結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)及其制品的開(kāi)發(fā)與利用。通過(guò)改變生物質(zhì)材料的種類及其開(kāi)纖方法，制備出了多種生物質(zhì)納米纖維素，對(duì)其結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行

2、了詳細(xì)的表征和分析。隨后以納米纖維素氣凝膠為例，研究在制備納米纖維素基制品的過(guò)程中，納米纖維素的自聚集機(jī)理及其制品的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。本論文主要開(kāi)展了以下工作:
　　(1)利用化學(xué)預(yù)處理結(jié)合高強(qiáng)度超聲方法制備木質(zhì)納米纖維素，并系統(tǒng)研究納米纖維素在制備過(guò)程中的結(jié)構(gòu)及性能演變，以及高強(qiáng)度超聲處理對(duì)納米纖維素的結(jié)構(gòu)及性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)原料木粉為圓棒狀結(jié)構(gòu)，而在綜纖維素中出現(xiàn)了源于導(dǎo)管的短而扁平的片狀結(jié)構(gòu)和源于木纖維的細(xì)長(zhǎng)中空棒狀結(jié)構(gòu)?；?/p>

3、學(xué)純化纖維素也保持著細(xì)長(zhǎng)的扁平片狀結(jié)構(gòu)，但厚度更薄，且彼此間相互分離。最終制備的納米纖維素為細(xì)長(zhǎng)的絲狀結(jié)構(gòu)。隨著超聲處理時(shí)間和超聲波輸出功率的提高，純化纖維素的納米開(kāi)纖化程度隨之提高。當(dāng)超聲波輸出功率大于1000W，超聲時(shí)間為30min時(shí)，制備了均勻分散的納米纖維素水懸濁液。高強(qiáng)度超聲處理對(duì)納米纖維素的化學(xué)組分、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性等的影響不大。
　　(2)對(duì)比研究了基于不同種生物質(zhì)材料、不同種機(jī)械開(kāi)纖方法制得的納米纖維素的結(jié)構(gòu)和

4、性能差異。從木材等相對(duì)“低”纖維素含量的生物質(zhì)材料中，可以制得形態(tài)尺寸均勻的納米纖維素。但從麻纖維等相對(duì)“高”纖維素含量的生物質(zhì)材料中，不易制得形態(tài)尺寸均勻的納米纖維素。采用高速攪拌處理、高強(qiáng)度超聲處理及高壓勻質(zhì)處理，均可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)化學(xué)純化纖維素的納米開(kāi)纖化，其中以高壓勻質(zhì)處理制得的納米纖維素水懸濁液最為穩(wěn)定。所制得的納米纖維素多以簇狀聚集體的形式存在。聚集體的長(zhǎng)度大于13μm，寬度在30～250nm之間，其內(nèi)部由平行排列的納米纖維素所

5、組成。
　　(3)利用冷凍干燥方法處理離心后的納米纖維素水懸濁液，制得了超長(zhǎng)的纖維素納米纖維，并對(duì)納米纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了表征。所制備的竹纖維素納米纖維的直徑為30～80nm，長(zhǎng)度大于1mm，并保留了天然纖維素Ⅰ型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度值約為61.3％，熱降解溫度高于309℃。利用這一方法，也可從針葉樹(shù)材、闊葉樹(shù)材、麥秸及甘蔗渣等生物質(zhì)材料中制備超長(zhǎng)的纖維素納米纖維。
　　(4)通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度超聲納米纖維素水懸濁液進(jìn)行冷凍干燥處理

6、，制備了輕質(zhì)、柔韌的氣凝膠，并對(duì)氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、密度和水分保持值等進(jìn)行了表征。通過(guò)改變納米纖維素水懸濁液的濃度，可以將氣凝膠的三維多孔網(wǎng)狀纏結(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S片狀結(jié)構(gòu)。在對(duì)高強(qiáng)度超聲納米纖維素水懸濁液進(jìn)行離心處理后，冷凍干燥上清液，制得了密度為0.2×10-3 g/cm3的超低密度納米纖維素氣凝膠。
　　(5)分別采用四種開(kāi)纖方法制備出四種具有不同形態(tài)與表面性能的納米纖維素，隨后冷凍干燥其水懸濁液，制得了輕質(zhì)、自支撐的納米纖維素氣