纳米纤维素基气凝胶的构建及其应用开题报告

1. 研究目的与意义

气凝胶衍生自凝胶，是以固体为骨架、气体为分散介质的具有高度多孔结构的材料，其中凝胶的液体成分由气体代替^[1]。在1931年，kistler通过使用乙醇超临界干燥技术制备了世界上第一块气凝胶^[2]。根据气凝胶的成分可以将它分为三类，分别是无机气凝胶、有机气凝胶以及无机―有机复合气凝胶。气凝胶材料由于具有高孔隙率（高达99％）、低密度（4-500 mg/cm³）和大表面积（100-1000 m²/g）的优点，受到了研究者的广泛关注。目前，气凝胶材料主要应用于催化剂、隔温隔音和电子产品等^[3]。但是，传统的无机气凝胶经常会产生脆性的问题，这在需要机械坚固性时会限制其使用。由于聚合物通常不那么脆，且柔韧性好，易于加工处理，因此有研究人员提出了用合成天然聚合物制成的气凝胶来解决脆弱性的问题^[4]。与石油化学资源不断减少的合成聚合物相比，可再生生物聚合物经济且环保。

纳米纤维素主要是从木材、棉、麦秆等植物中提取出来的，也有部分提取自细菌纤维素等非生物质资源，是一种绿色无污染的符合可持续发展理念的可再生资源^[5]。它是由葡萄糖单元组成，每个分子上含有三个羟基官能团，可以发生接枝共聚、酯化等反应，这大大提高了其表面的可修饰性。目前，制备纳米纤维素的方法主要有三种，包括机械法、化学法以及化学与机械结合法^[6]。在实验室里常用的制备纳米纤维素的化学方法主要是硫酸水解法和tempo催化氧化法^[7]。其中，硫酸水解法是纤维素与硫酸间发生多项水解反应，固相纤维素在酸中发生溶胀或者溶解，一部分是纤维素大分子无定形区的水解，这种水解可以保持结晶区域的结构完整性，获得的纳米纤维素晶须与其他方法相比具有更高的结晶度和更短的晶须长度。如今，纳米纤维素被广泛应用于涂料、生物医学、能源、建筑、分离工艺和特种化学工业等领域。同时，凭借高强度、低密度、液晶特性、生物降解性和良好的生物相容性等优点，纳米纤维素在气凝胶材料中也显示出了巨大的应用前景^[8]。

纳米纤维素基气凝胶是以纳米纤维素为原料的第三代新型多功能气凝胶，具有优异的生物相容性和生物降解性^[9]。它在具有传统的硅气凝胶和聚合物气凝胶优点的同时，在很大程度上改善了目前常见的二氧化硅气凝胶韧性差、脆性、耐洗涤性差、难以承受反复弯折折叠和难以重复使用等缺点^[10]。纳米纤维素基气凝胶兼具传统的气凝胶特性和自身优异性能的同时，作为一种绿色可再生材料，安全环保，既能满足生产生活对高性能气凝胶的需求，又符合了当前社会对环境保护的价值追求。

2. 研究内容和预期目标

1、利用现代科技文献的查阅方法和手段，如Internet、学校图书馆、电子期刊等数据库，查阅有关研究纳米纤维素基气凝胶构建方法与应用领域的科技文献资料，并对文献进行综合、分析、研究。

2、在此基础上，归纳总结出纳米纤维素基气凝胶的构建方法与应用领域，写出开题报告，通过文献查找、文献阅读以及文献归纳，培养自己的文献查找能力、独立思考问题解决问题的能力和初步的科研能力。

3、本课题的预期目标是在查阅文献的基础上，了解纳米纤维素基气凝胶的国内外研究进展，总结归纳出其制备方法与应用领域，指出其目前存在的问题与挑战以及解决现有瓶颈问题的对策，并阐述未来的研究方向。

3. 研究的方法与步骤

1、在确定研究主题的基础上，利用现代科技文献的查阅方法和手段，如web of science、谷歌学术、学校图书馆、电子期刊等数据库，查找有关研究纳米纤维素基气凝胶构建方法与应用领域的科技文献资料；

2、将查到的文献利用noteexpress软件进行整理，文献阅读完后及时归纳总结，明确纳米纤维素基气凝胶的制备方法、应用领域以及目前存在的问题；

3、针对目前存在的问题，提出自己合理的解决方法，并展望纳米纤维素基气凝胶未来的研究方向。

4. 参考文献

[1] de france, k.j., t.hoare and e.d. cranston. review of hydrogels and aerogels containingnanocellulose [j]. chemistry of materials, 2017. 29(11): 4609-4631.

[2] husing n, schubert u.aerogels—airy materials: chemistry, structure, and properties [j]. angewandtechemie international edition, 1998, 37(1-2)：22-45.

[3] sehaqui h, zhou q,berglund l a. berglund. high-porosity aerogels of high specific surface areaprepared from nanofibrillated cellulose (nfc) [j]. composites science andtechnology, 2011, 71(13)：1593-1599.

5. 计划与进度安排

（1）、2022年12月23日~2022年4月30日

查阅文献资料，外文文献翻译；

（2）、2022年5月1日~2022年5月31日