天然微管界面物理化学特性及其微囊与器件的智能行为研究

木棉纤维是一种具有微米级空管结构的天然生物材料，主要成分为纤维素、木质素和戊聚糖，具有绿色生态、中空超轻、超亲油、超疏水等特性。申请项目应用木棉纤维独特的界面物理化学性质和超大中空结构，在研究天然微管表界面物化性质及微结构基础上，制备功能化微器件及评价其智能行为。主要包括：揭示天然微管特殊表界面特性内在机理；建立单纤维与纤维集合体性能相关性的物理模型；利用超亲油超疏水性设计油水分离器件、油水分离效果及影响因素；利用天然微管超大中空结构与表面化学改性，研制重金属离子超吸附器件，探索其在污水处理、贵金属富集等方面的潜在应用；制备微米级长度的微管，研究作为相变储能微胶囊、阻燃微胶囊、自修复微胶囊和药物缓释微胶囊的可行性。本项目的研究有望开拓天然微管在界面科学、材料科学、智能化微器件等领域的广阔应用前景。

本项目利用木棉纤维独特的界面物理化学性质和超大中空结构，在研究天然微管表界面性质及微结构基础上，通过表界面修饰，实现了木棉纤维多种功能化应用。主要包括：研究了木棉纤维超疏水性对其纤维集合体浮力性能的作用并建立相关理论计算模型，结果表明木棉纤维是一种目前已知最轻的天然浮力材料；利用木棉纤维的超亲油超疏水性设计了油水分离器件，可以借助重力和毛细力实现连续高效油水分离；通过表面化学改性制备了木棉纤维重金属离子吸附剂及有害阴离子吸附剂，重金属离子吸附剂对铅、镉、铜离子的最大吸附量分别可以达到298、153、92 mg/g，对铅、镉离子的吸附可以在两分钟内达到平衡，具有吸附快速、吸附量大的优点；以木棉纤维微管为模板，通过丙烯腈原位聚合沉积制备了木棉-PAN 复合中空纤维，将其在高温惰性气氛下碳化，可制得碳微管，该复合中空纤维还可作为催化剂载体，负载金纳米颗粒后具有较高的催化活性和重复利用性；首次以天然微管制备了石蜡相变储能微胶囊，制备过程无需乳化剂、膨胀剂和高速搅拌，因此更加经济和环保，适合规模化的实际生产，这种方法还可以应用于其它功能化微胶囊产品，如阻燃微胶囊、药物微胶囊、自修复微胶囊等，开辟了制备功能化微胶囊的新途径；研究了木棉纤维聚集体的吸声性能及影响因素，结果表明木棉纤维是一种轻质高效的声学阻尼材料。本项目的研究有望开拓天然微管在界面科学、材料科学、智能化微器件等领域的广阔应用。本项目已发表论文5篇，申请专利3篇，发表会议论文2篇，部分研究结果整理投稿中，培养硕博连读生3名。