磁性纤维素气凝胶的制备及性能表征开题报告

全文总字数：2892字

1. 研究目的与意义

纤维素被称为是地球上分布最广泛、含量最丰富、最廉价的可再生资源。随着社会经济高速发展与人类文明的进步，在满足自身基本需要的同时，人们越来越注重与生态、环境的和谐统一，开发以天然纤维素为原料的新型精细化学品替代不可再生资源，将是21 世纪可持续发展化学工程研究领域的重要课题之一。纤维素基气凝胶材料的功能化制备及应用开发就是其中的一个热点。纤维素气凝胶作为新生的第三代材料，超越了硅气凝胶和聚合物基气凝胶，在具备传统气凝胶特性的同时融入了自身的优异性能，如良好的生物相容性和可降解性，在制药业、化妆品等方面具有很大的应用，是一个不断发展的生物类聚合物材料。纤维素分子链上存在大量羟基，可通过形成分子内和分子间的氢键进行凝胶化，从而得到物理交联的三维网络。但是这也使纤维素气凝胶具有很强的吸水性，遇水结构易坍塌，在实际使用中受到限制。另外，纤维素分子链上的羟基具有酯化或醚化等化学活性，气凝胶中的多孔结构可以作为原位合成纳米颗粒的纳米反应器。因此，通过物理或化学改性，可以提高纤维素气凝胶的疏水性及力学性能，并引入电、磁等功能性，从而扩大纤维素气凝胶的应用领域。

2. 国内外研究现状分析

熊佳庆在基于两性气凝胶制备及其吸附性能研究内指出不同组分的气凝胶除具备应有的超轻，高比表面积特性外，还可以被赋予高弹性、耐热性、地热导性，高温超导，以及优异的导电性能，使得气凝胶在防冲击，隔热防噪、储能器件、超强吸附材料、两字尺寸效应材料、和高级光研究等领域具有重要的意义[1]。严秋钫在磁性纤维素的制备与应用中以棉短绒植物纤维素为原料，利用lioh/尿素溶剂体系溶解纤维素，制备再生纤维素膜和再生纤维素微球[2]。美国农林服务部木材、纤维、复合材料和研究部门的主任助理认为纳米纤维素潜力很大。可能以较低的成本生产上千万吨纳米纤维素，而不像传统纳米材料生产成本昂贵。纳米纤维素的诸多性能已引起材料学家的极大兴趣。纳米纤维素极其坚韧，挺度与聚氨酯纤维类似[3]。周益名在纳米纤维素复合凝胶的之别和表征及其物化性能增强的研究中指出，水凝胶的几大应用，在生物酶的固定上的应用，在形状记忆材料上的应用，以及在生物医学领域中的应用[4]。孙天平在纳米纤维素基杂化气凝胶的制备与表征中指出：以纳米纤维素为模板，杂化符合各种功能性无机纳米材料，可使纳米纤维素基杂化气凝胶在水污染净化领域具有潜在的用途。以此为基础，设计、裁剪构成具有巨大比表面积、良好可重复利用性和独特功能的纳米纤维素基先进吸附材料，是未来的探索方向[5]。何方在气凝胶材料的研究新进展中指出，气凝胶材料最大的特点是比表面大, 孔隙率高, 而燃料电池或锉离子电池的电极材料需要一定的孔隙, 因此, 许多学者制备了气凝胶复合电极材料。 用催化剂修饰的碳与 si 认 的气凝胶复合材料具有三 维的空间结构, 是分子、离子和溶剂运动 的通道。 在该条件下甲醇被氧化的效率是单纯铂电极的 4 个数量级, 能作为直接甲醇燃料电池的电极材料[6]。王真在气凝胶材料研究的新进展中指出，有机气凝胶、有机无机杂化气凝胶、的新进展[7]。

吕少一等在纳米纤维素基导电复合材料研究进展中指出，随着纳米科技的发展，利用化学，物理，酶催化等方法得到一对纳米尺寸的纳米纤维素应运而生[8]。马书荣在基于纤维素的气凝胶材料兼具绿色可再生的纤维素材料和多孔气凝胶材料两者的优点，成为纤维素材料研究与应用中的一个特点[9]。张金明和张军以纤维素作为模板制备了金属材料和碳材料[10]。从生物质资源中提取纳米级尺寸的纤维素作为结构单元，借助其高比表面积和丰富的活性官能团中提取纳米级尺寸的纤维素作为结构单元，借助其高比表面积和丰富的活性官能团设计、裁剪和组装成三维网状结构的功能性杂化气凝胶,探索用作环境吸附材料,已成为当前的研究热点.[11]

近年来，磁性纤维素气凝胶的制备和性能研究引起了科学家的关注，主要是利用低温下用lioh/尿素体系溶解纤维素，然后制备再生纤维素膜，以再生纤维素膜的孔隙为微反应器，通过原位合成法合成cofe2o4纳米粒子，冷冻干燥后制备得到磁性复合纤维素气凝胶[12]。此外，采用纳米精磨法对商品桉木浆进行纳米纤丝化处理,得到了高长径比、尺寸均一的纳米纤丝化纤维素,平均直径为230.10 nm,长度达数十微米.将其组装、干燥后可制得具有大量介孔的纳米纤丝化纤维素气凝胶[13]。

3. 研究的基本内容与计划

本研究以纤维素为基础材料，通过碱溶液低温溶解的方法制备出具有三维多孔结构的纤维素气凝胶，并对纤维素气凝胶的微观结构、表面性能及机械性能进行检测与表征，探讨不同因素、不同处理方法对纤维素各物理化学性能的影响规律，并在此基础上对纤维素气凝胶进行功能化修饰，为纤维素气凝胶的功能化制备提供新思路和理论基础。

研究工作的总体安排及预期进度:

2018.1-2018.2 完成相关文献的检索与阅读，并探索碱溶液低温溶解

4. 研究创新点

从2002年以来，气凝胶材料的制备方法和新的应用领域都有了突破，体现在气凝胶在能源、光学材料、磁性材料等新材料方面的潜在应用，另外无机盐合成气凝胶材料是今后气凝胶材料制备得发展方向，用有机基因修饰气凝胶二粒子可以明显提高气凝胶材料的机械强度，从而拓宽气凝胶的应用范围。

气凝胶通常经过由溶胶凝胶过程和超临界过程制备得到，是世界上最轻的固体物质，复杂的干燥方法和脆弱的质地限制了它的实际推广。1.有机气凝胶：是在1989年提出的，利用间苯二酚和甲醛之间的缩合反应制备了RF有机气凝胶，近年来，随着碳纳米，石墨烯等碳材料的研究越来越深入，碳气凝胶也逐渐成为有机气凝胶领域的新热点。2.有机无机杂化气凝胶：Sai等奖细菌纤维素凝胶浸泡在二氧化硅溶胶中，经溶胶凝胶过程得到有机无机杂化的护窗凝胶网络，冷冻干燥后，得到柔韧的杂化气凝胶。这种气凝胶呈半透明，耐压缩，抗压缩，并能够打结，显示出很好的韧性。气凝胶凭借他独特的优质特质受到人们的密切关注，然后其复杂的干燥方法和脆弱的质地极大地限制了他的广泛使用。研究人员积极探索，将石墨烯等新材料应用于制备气凝胶，利用有机无机杂化的方法制备耐性好的气凝胶，通过选择气凝胶的物质组成改进制备气凝胶的干燥方法，取得了许多的可喜的进展。尽管如此，气凝胶的大规模实际应用人有很长的路要走，简化气凝胶的干燥方法，强化气凝胶的力学性能，对气凝胶进行功能化忍将是研究人员不懈努力的方向。