纤维素基纳米复合薄膜电子材料的可控制备及其构效研究

以纤维素微孔膜为微反应器，通过改进的原位合成法在其中可控生成无机纳米粒子，制备高性能的纤维素复合薄膜电子材料，并将其作为锂离子电池的膜电极制备纤维素基"绿色"锂离子薄膜电池。研究不同的制备方法、反应条件对无机纳米粒子的结构和性能的影响，揭示纳米粒子在纤维素微孔膜中的生长机理；同时研究无机纳米粒子的种类、晶体结构等因素以及控制其在纤维素基底中的分布对复合材料性能的影响，阐明在无机纳米粒子/纤维素复合材料中，复合材料的性能与结构之间的关系，提出制备高性能的纤维素复合功能材料的设计原理。同时，将制备的高性能的纤维素复合薄膜材料用于锂离子薄膜电池的电极制备锂离子薄膜电池，研究其电化学性能，探讨其在锂离子电池中的应用。

本工作主要利用纤维素为原料，通过在碱/尿素水体系中(NaOH/尿素, LiOH/尿素)低温溶解后制备出纤维素薄膜。然后通过在这些纤维素材料的微孔结构中原位生成无机纳米粒子，或者原位聚合，或原位热固化或光固化等方法制备纤维素基复合薄膜材料，并将其分别作为锂离子薄膜电池的正、负极和隔膜材料，尝试其在锂离子薄膜电池领域中的应用。关于纤维素基锂离子电池负极薄膜材料的研究内容主要是利用再生纤维素膜的微孔作为微反应器，通过原位生成的方法成功合成了γ-Fe2O3纳米粒子，并由此制得磁性纤维素复合膜。结果表明，FeCl2或FeCl3溶液的浓度对Fe2O3纳米粒子的晶体结构、形貌影响很小，但其含量随着FeCl2或FeCl3溶液浓度的增加而增加。这种复合膜具有很好的力学性能和弱铁磁性行为。在纤维素微孔膜中生成的Fe2O3纳米粒子具有片状形貌，在自然干燥的情况下，Fe2O3纳米粒子在纤维素基底中呈现有规律的排列。然而采用冷冻干燥的方法制得的这种磁性复合膜中，Fe2O3纳米粒子在其中呈无规排列。在复合膜干燥的过程中，施加外磁场也对对Fe2O3纳米粒子在纤维素基底中取向排列有一定的干扰作用，其中动态磁场对Fe2O3纳米粒子取向排列的干扰要比静态磁场大。通过采用单轴拉伸取向的方法研究了拉伸力场对Fe2O3纳米粒子的排列取向影响。结果表明，拉伸取向不仅没有提高Fe2O3纳米粒子在纤维素基底中的排列，反而破坏了其在纤维素基底中的排列。随着拉伸比的增加，Fe2O3纳米粒子在纤维素基底中无序排列程度也越大。这是由于单轴拉伸改变了纤维素膜的微孔结构，从而阻碍了Fe2O3纳米粒子之间的因磁偶极相互作用发生的定向排列。综合以上的实验结果，复合膜在自然干燥的情况下，Fe2O3纳米粒子在其中的取向排列主要是由于在干燥的过程中，纤维素膜的微孔收缩增加了Fe2O3纳米粒子之间的磁偶极相互作用，从而引起它们的取向排列；此外还以苯胺和吡咯单体为原料，在多孔纤维素膜中采用原位氧化聚合的方法，制备了聚苯胺/纤维素和聚吡咯/纤维素复合导电膜。研究了单体的浓度、反应时间等因素对复合导电膜的结构和性能的影响。关于纤维素基锂离子电池隔膜材料的研究内容主要是采用热固化型环氧树脂或光固化性丙烯酸树脂为原料，在纤维素基底中通过热固化或光固化的方法制备了一系列的复合薄膜材料，研究了薄膜的微观结构、表面化学性能和热力学性能。有关纤维素基锂离