高强度纤维素气凝胶制备、结构与性能

气凝胶是具有纳米孔三维网络结构，极高孔隙率、极低密度、高比表面积的先进材料。本项目利用碱/尿素水溶液低温快速溶解纤维素，并制备纤维素水凝胶，然后通过超临界干燥等方法制备纤维素气凝胶。探索用沉淀法、溶胶－凝胶、水热或溶剂热合成等方法合成纤维素/纳米复合气凝胶的最佳途径。深入研究纤维素凝聚态结构及其与纳米粒子相互作用，获得具有优异功能（力学性能、热学性能和光电性能）的纤维素/纳米复合气凝胶。阐明纤维素气凝胶微观结构与本征性能之间的关系，实现功能设计和调控，揭示新规律和新性能。该新型纤维素气凝胶不仅是对纤维素新材料探索的发展，也是构建新型气凝胶材料的一条崭新途径。本项目不仅深入研究和发展碱/尿素水溶液低温快速溶解这一自主创新的纤维素基础研究，并将开拓它在材料、环境、能源和生物技术等方面的重大应用前景，具有重要的学术意义和经济价值。

我们以具有纳米孔结构的纤维素凝胶为模板或载体，采取sol-gel法、氧化还原、化学氧化等温和手段在凝胶内原位合成具有光、电、磁、催化性能的氧化物纳米粒子、导电高分子等不同种类的纳米粒子，以及层状结构的复合凝胶，并利用冷冻干燥或超临界CO2干燥等技术制备出相应的纳米复合气凝胶。同时，我们还以与纤维素具有类似结构的甲壳素为研究对象，成功地得到高浓度甲壳素溶液，并且发现从水溶性有机溶剂凝固体系（如甲醇、乙醇等）而非水溶剂凝固体系更易于制备出高强度的甲壳素水凝胶，进一步制备出甲壳素、壳聚糖气凝胶、膜等材料。这些气凝胶具有极低的密度、高的孔隙率和比表面积、适中的热稳定性、高的力学性能以及良好的生物相容性。我们利用高分子物理理论、表征方法和仪器重点研究了纤维素和甲壳素凝胶与水、有机或高分子化合物、不同种类纳米粒子之间的相互作用和表界面性质，以及材料的构效关系。我们还在上述研究的基础上开展以纳米孔纤维素凝胶增强高分子材料的研究。将（甲基）丙烯酸酯单体和己内酯单体分别置换到纤维素凝胶中，在催化剂作用下原位聚合得到纤维素凝胶/聚（甲基）丙烯酸酯和纤维素凝胶/聚己内酯纳米复合材料，并且利用愈渗模型研究纤维素凝胶对复合材料的力学增强行为。随着纤维素含量的增加，复合材料在高于玻璃化转变温度时模量明显增加，而且耐溶剂性能增强、热稳定性增加，同时热膨胀系数明显降低。此外，我们还采用简便而又“绿色”的热压技术改变纤维素凝胶的聚集态结构，成功构建出高强度、透明的纤维素生物塑料，并利用全生命周期分析方法对纤维素生物塑料和石油基高分子塑料进行了比较，综合评价它们对资源和环境的影响。课题负责人受邀参加美国化学会第245届会议（2013）并作题为“Crystalline polysaccharide aerogels”的口头报告。.本项目已按原计划的内容顺利完成：在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem.、J. Mater. Chem. A.等期刊发表SCI收录论文9篇（一区论文4篇），影响因子大于13的1篇，大于4的6篇；已投稿和待投稿论文10篇；H因子18。完成参编论著3部；获授权国际和中国发明专利5项，申请3项；在国内外重要会议作口头报告5次。2012年获“国家自然科学奖二等奖”（排名第三）和“2012年度中国高等学校十大科技进展奖”（排名第二）。