新型纳米纤维素气凝胶干燥技术的研究开题报告

1. 研究目的与意义

了解现在气凝胶干燥过程中间存在的主要问题，采用膨化干燥方式研究膨化的温度，作用时间以及秦艽的含水率对于膨化效果的影响。寻找出最优化的气凝胶膨化干燥的工艺路线。并从理论角度上面来分析，影响气凝胶膨化干燥的作用原理。要求在实验过程中间，除了进行基本的实验检测分析之外，还有一定的理论分析

2. 国内外研究现状分析

21世纪,世界普遍关注的科学技术发展的重要焦点之-就是新型材料的创生。我国林木资源短缺,木质皮弃物.木材加工剩余物、皮旧水制品的高效再加工和循环利用,具有十分重要的意义,并且符合循环经济的发展趋勢。即组成资源一产品一再生资源的物质反复和循环流动。木质皮弃物，木材加工剩余物、废旧木制品的高效再加工和循环利用不仅可以缓解木材供需矛盾,更重要的意义在于,将这些资源量巨大的废弃物通过科学的加工,形成新的产品或材料,有利于原本储存的碳素进- -步重新固定、封存,以保持减排低碳,减少温室效应。保护人们赖以生存的生态环境。

木质纤维素气凝胶的研究和开发迈出了木材朝余物高效再加工和循环利用中关键的一步，它是将木材中所有组分包括纤维素、半纤维素和木质素等不需经过分离和化学处理.而通过溶解.冻融和干燥工艺制备的一一种新型水质纤维素基材料。通过长期大量的试验,木质纤维素气凝胶材料不仅充分利用了生物质材料中的各种组分，而且依据气凝胶所具有的特殊性能,诸如极低的密度、极大的比表面积和极高的绝緣性等,可被广泛应用于组织工程、控释系统、血液净化、传感器、废水处理色谱分析生物医药等领域,还可在高效可充电电池、超級电容器、催化剂及载体、化妆品、气体过滤和超级高效隔热隔声材等有广阔的应用前景。

纳米纤丝化纤维素(nanofibillatedcell具有卓越的光学性能、机械性能和结构性能,在组织工程、纳米复合材料、纳米器件中有非常广泛的用途。事实上,木材细胞壁中的纤维素微纤丝(植物学术语)就是一一种自然界中取之不尽的高性能纳米纤维化纤维素。木材中的纳米纤丝化纤维素,不但具有很高的长径比,还具有木材天然的可再生性、可循环性和可生物降解性。

3. 研究的基本内容与计划

早期，人们采用溶胶-凝胶法制备纤维素纤维素气凝胶，它的原料为纤维素衍生物。也就是将纤维素衍生物在有机溶剂中溶解，通过化学交联反应形成湿凝胶，而后把湿凝胶干燥后得到气凝胶。该方法的化学交联反应是气凝胶制备的关键技术，直接影响气凝胶的网络结构。化学交联剂的选择和浓度的控制对纤维素气凝胶的强度、比表面积和孔隙率有重要影响。然而溶胶凝胶法的缺点是制备过程相当复杂和笨重，气凝胶的孔结构难以精确控制。

作为一种新的第三代材料，纤维素气凝胶优于硅气凝胶和聚合物基气凝胶。它们具有各自优异的性能，同时又具有传统气凝胶的特性，如良好的生物相容性和生物降解性。它在医药工业和化妆品领域有着广泛的应用。它是一种不断增长的生物聚合材料。纤维素气凝胶作为一种超轻结构材料，其密度可达到0.00 8g/cm。Inncrlohinger对气凝胶的内部结构进行了研究。纤维素凝胶具有较高的孔隙率和比表面积。它在干燥过程中受到毛细压力，其框架容易弯曲和收缩，甚至坍塌破裂。因此，选择合适的干燥方法是纤维素制备中最重要的干燥方法，包括超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥。超临界CO₂干燥是一种比较常见的干燥方法，因为它能避免毛细力，不会破坏三维网状结构，但工艺相对复杂。随着人们对纤维素气凝胶认识的深化和全球能源危机的加剧，对纤维素气凝胶研究的热情逐渐增强，对纤维素来源、溶剂和干燥方式的研究也越来越多。本文主要采用一种高温膨化来制备新型纳米纤维素气凝胶，通过控制水分来达到预期效果。

4. 研究创新点

目前制备纳米纤维素的主要方法有主机械法、酶解法、酸水解法和氧化法。机械法是通过机械研磨将纤维素材料研磨成纳米级的方法，从而得到纳米级纤维素。机械法制备纳米级是一种绿色无污染的处理方法，在物理粉碎过程中，大部分纤维素的非结晶区仍保存完好，这种方法的得到的纳米纤维素结晶度相对较低，但能耗相对较高.纳米级是通过机械方法制备的，通常用于向纤维素施加高剪切力或均匀化，并切断纤维之间的纤维，从而使纤维素的直径减小到纳米级。早在20世纪80年代，turbak等就以4%左右的木浆为原料，生产出高膨松的胶体纤维素产品，称之为mfc。通过机械分散和高压均化的工艺，zimmermamnt制备出直径小于100nm的mfc，达到纳米级mfc。与天然纤维素相比，比表面积变大，暴露出大量羟基，保水增稠性能高，但非晶区保存良好，因此进行了制备。制备的mfc的结晶度较低。目前，纳米纤维的制备方法很多，如高压均质、高速磨削、高剪切加工、超声波等。纳米级机械制备对环境无污染，但为了制备质量较好的纳米级材料，需要对纤维素材料进行多次处理。在纤维素材料的重复高压均质过程中，纤维素可能降解并影响纳米纤维的性能。为了解决这个问题，提高了高压均质化。在现阶段，成熟的机械方法是化学机械法，先用化学药品降解纤维素，然后高压均质机多次均匀化，制备mfc。纤维素微纤维上电荷基团的引入有利于纤维素的离解，这是因为电荷基团增加了浆料的溶胀速率，降低了细胞壁的结合力，促进了离解，而纤维素离解。阴离子组的效果较好（29），mishrasp等i30]使用tempo-nabr naocl体系对原料进行氧化。通过机械处理制备了结晶度较高的mfc。almadal3l和王（3）还用化学机械方法制备了mfc。木浆的机械氧化与机械搅拌相结合，可以节约能源，减少机械处理次数。然而，在tempo处理过程中会有醛基，醛基会导致纤维素的降解或变色，从而影响mfc的性能。

酶解是一种无污染的化学方法。纤维素酶水解纤维素，得到纳米纤维素。然而，这种方法对纤维素酶的活性和纯度要求很高，酶法制备纳米材料的时间长，效率低，但实现工业化很难。酸性溶液是一种非结晶性的区域，用无机酸破坏纤维素，从而使纤维素释放部分纤维素结晶区域。酶解是纤维素酶的生物学特异性，可作为纤维素非晶区的糖苷键，降解纤维素的无定形区，保留纤维素的结晶面积，从而制备结晶度高的纳米纤维。纳米纤维的酶解对环境的污染很小，但纤维素酶在自然界中由多种纤维素酶、纤维素内切酶、纤维素核酸外切酶、b glucosidase等组成。纤维素酶和b糖苷酶会破坏纤维素的结晶面积，不利于纳米级的制备。因此，必须对纤维素酶进行处理，但纤维素酶核酸内切酶的提取要求较高。然而，这种方法对纤维素酶的活性和纯度要求很高，酶法制备纳米材料的时间长，效率低，但实现工业化很难。酸性溶液是一种非结晶性的区域，用无机酸破坏纤维素，从而使纤维素释放部分纤维素结晶区域。

同时纤维素酶只能降解纤维素非结晶区。纳米sio 2的制备要求高，需要高纯度的纳米硅材料。对于各种植物纤维素原料，必须使用一些物理和化学方法来制备纳米纤维素。因此，酶解法制备纳米纤维素是一项复杂的工作。