纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/丝胶蛋白复合气凝胶的性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

目的及意义:由于疏水材料具有防污，防水，可减少流体的粘滞等优良性能，表面具有自清洁性，微流体系统和生物相容性等潜在应用，例如，将其应用到汽车，飞机的挡风玻璃中，就既能减少空气中灰尘的污染，又能使其在高湿度环境以及雨天都保持较好的干燥湿度；将其应用到微流体装置中，可以实现对流体的无漏损，低阻力传输；将其应用在高降雪地区的室外天线上，就能防止积雪来保证信号传输的畅通；这类材料可以用来修饰纺织品，作防水和防污服装等。因此近年来受到更多广泛的关注，本次课题是为了研究出性能更好的疏水材料，为人类的生产和生活提供更大的便利。超疏水材料的研究已经成为比较活跃的研究课题之一，这对制备出高性能的功能材料有极其重要的作用。

2. 国内外研究现状分析

20世纪50年代初，DowCorning公司巧妙地将有机氟材料与有机硅材料优势互补，开发了氟硅系列产品。Teshima等用四甲基硅烷涂覆的聚对笨二甲酸乙二醇酯基底通过选择性的氧等离子体蚀刻，然后用等离子体增强的化学气相沉积制得一种透明超疏水表面。Qian等描述了一种简单的表面粗糙化学法，错位选择性化学蚀刻多晶金属如铝。Martines等使用电子束光刻和等离子体蚀刻制备了有序的纳米柱阵列。Shirtcliffe等用有机氧基硅烷制得多孔溶胶-凝胶泡沫。Shang等通过氟化硅烷修饰二氧化硅凝胶薄膜制得透明超疏水表面。Wu等提出了微氧化锌为基础的表面通过湿化学在ZUO表面涂覆长链烷基酸得到超疏水表面。Feng等将具有较低的表面能的聚四氟乙烯（PTFE）材料喷涂至金属铜网表面上，利用胶黏剂提高聚四氟乙烯与铜网表面的粘附能力，制得的网状材料兼具有超疏水性和超亲油性，该疏水亲油网可有效实现油水分离。Wang等在铜网上电镀了多级的微纳米结构，再通过用长碳链的脂肪酸来修饰这种多级结构的表面从而获得了油水分离铜网材料。尚延伟等受到荷叶和银泽菊叶自清洁现象的启发而制备的超疏水/超亲油静电纺丝纤维膜，静态接触角可达161超疏水标准。Pan等也实现了对含油废水混合液的分离处理，其方法是通过浸涂的方法来制备超疏水/超亲油的铜网材料。俞书宏等用细菌纤维素制备的弹性阻燃多孔气凝胶也具有油水分离功能，其对油类及其它溶剂的吸附比可达100-300倍于自身质量，且该气凝胶有很好的燃烧重复性。JuusoT.Korhonen等利用原子层沉积（ALD）的方法在纤维素气凝胶表面沉积一层二氧化钛，使得该材料具有憎水亲油性。NicholasTchangCervin等利用气相沉积法在纤维素气凝胶表面沉积了一层辛基三氯硅烷，使得该材料有了一定的憎水性，接触角可达150，同时该气凝胶有一定的吸油性能，其吸油比可大于自身重量。高超等制备的石墨烯气凝胶，不仅密度可达到0.18mg/cm-3，其吸附比也可达到320倍于自身重量，同时，经过10次的重复使用，该材料保持原来的形态，不发生破裂。PaolaCalcagnile等，制备了磁性聚四氟乙烯改性的聚氨酯泡沫，该材料具备水油分离功能的同时还具有一定的磁性。

3. 研究的基本内容与计划

内容及计划：制备得到高长细比，高透明度，低膨胀系数的纤维纳米素和甲壳素纳米纤维及性能分析，纤维素纳米纤维的制备1.称10g纸，用蒸馏水浸泡1h2.过滤3.添加600ml蒸馏水，分为称取5.5gNaOH,10gKOH，在90C下搅拌2h，冲至中性4.称取4.5gNaClO2及4ml冰乙酸，在75℃下搅拌1小时，重复3次；5.取10gKOH在90℃，4.5gNaClO2，4ml冰乙酸在75℃下，分别搅拌1小时；6.取36%的盐酸15ml，在80℃下搅拌2h，随后冲洗至中性；7.取适量在烘箱中干燥测定含水率，然后根据含水率配成1%浓度的溶液；8.所得溶液在研磨机上研磨20min，每次最多不可超过800ml。甲壳素纳米纤维的制备：1、取10g甲壳素粉，量取97ml36%的盐酸配成500ml 7%的盐酸溶液，冷却后倒入甲壳素烧杯中去除碳酸钙，12小时；2、冲洗至中性，然后称取25gNaOH配成500ml 5%溶液处理12小时，重复4次，去除蛋白质，每次处理后均冲洗至中性；3、500ml 50%乙醇溶液处理12小时，脱色处理，过滤后获得纯化甲壳素；4、取适量纯化甲壳素烘箱中干燥测定含水率，根据含水率配成1%的溶液；5、所得溶液在研磨机上研磨20min，每次最多不超过800ml通过TEM观察纤维素纳米纤维和甲壳素晶须的形态结构；甲壳素微晶的制备：1、纯化甲壳素；2、把纯化的甲壳素在3N的盐酸溶液（比例为1g/30ml）中煮沸90min，过滤冲洗至中性。然后进行离心处理（10000rmp，5-10min，共三次），然后固体残余物用3500Da的透析袋在自来水中透析2h，然后在蒸馏水中透析一夜；3、然后pH值调整到2.5，每40ml溶液超声处理5min，在悬浮液中添加叠氮化钠防止团聚，在使用前4℃冷藏;）通过TEM（透射电子显微镜）观察纤维素纳米纤维和甲壳素纳米晶须的形态结构。蚕茧丝胶溶液的制备：、干蚕茧在蒸馏水中浸泡一夜；2、蚕茧在60度温水中泡5小时；3、蚕茧1g/30ml水比例在油浴中104-108度煮2-3小时（蚕茧在0.2N碳酸钠溶液中煮沸1h，随后离心处理取上清液；上清液在3500Da的透析袋中透析48h。）

4. 研究创新点

纤维素纳米纤维/甲壳素纳米纤维/丝胶蛋白复合气凝胶作为一种新生的材料，超越了硅气凝胶和聚合物基气凝胶，在具备传统气凝胶的同时融入了自身的优异特性，如良好的生物相容性和可降解性，在很多方面都有很大的应用。本课题将废弃的打印纸经过酸碱等一系列化学处理以及研磨、超声和离心等机械处理后进行制备纳米复合材料，是废弃物回收再利用的新方法。对该类材料进行结构分析和憎水吸油机理的分析，有助于更好的理解该类材料的性能并有助于开发出其更多应用潜能。本课题的研究有利于开发低成本高性能的油水分离材料，将原有的制备过程复杂且成本较高的油水分离材料低成本化同时工艺简单化。该类材料有解决海上溢油污染和处理含油和含有机溶剂的工业废水的潜质。