三维立体纳米网状结构的纤维素纳米纤维可控构筑与应用研究

Development of the novel air filtration materials with high filtration efficiency and biodegradability has scientific significance and practical value for haze governance and individual health protection. The air filtration composite materials with high filtration efficiency and filter precision are proposed to fabricate by using cellulose nanofibrils (CNFs) as building blocks on traditional porous filter materials with three dimensional (3D) nano-network structures. Herein, we will controllably fabricate the CNFs from non-wood fibers involving crystallinity, polymorphs, and length by a selective oxidation method followed mechanical disintegration. The relationship between the viscosity of CNFs dispersions and the intrinsic properties of CNFs will be proved, the effect of the formation of hydrogen bonds among CNE during drying process on their hierarchal structures will be elucidated, and the formation mechanism of 3D nano-network structures on traditional porous substrate is revealed, establishing and perfecting the related structure regulating rules. Subsequently, we will investigate the relation between the filtration performance of as-prepared composite filter materials and the nano-network structures of CNFs within themselves, for providing the air filter materials with high efficiency to deal with the PM2.5 pollution and individual protection. This project is carried out combined with the urgent environmental problem needed to be solved from current economic and social life, which has an important practical significance.

研发能够生物可降解的新型高效空气过滤材料在当前应对雾霾污染和个体防护领域具有重要的科学意义和实用价值。申请人提出利用纤维素纳米纤维作为基元材料，以传统的多孔滤材为基底，在其表面构筑具有三维立体纳米网状结构的纤维素纳米纤维，以期制备出高效空气过滤材料。本项目拟以非木质纤维为原料，采用选择性氧化处理-机械分散联合法来制备纤维素纳米纤维，实现其在结晶度、晶型、长度上的稳定化可控制备；探明纤维素纳米纤维分散液的性质与本体结构的关联性，掌握纤维素纳米纤维分散液干燥过程中氢键结构形成与其宏观多级结构及表面理化性质的关系，揭示其在传统滤材表面形成三维立体纳米网状结构的机理和调控规律，建立相应的结构调控方法，并研究该复合滤材的过滤性能与纳米网状结构及其表面化学性质之间的关系，为拦截过滤PM2.5及个体防护提供高效的过滤材料。本项目结合当前经济社会生活中迫切需要解决的环境问题开展研究工作，具有重要的现实意义

颗粒物污染已日益成为全球性的难题，高效空气过滤材料有着巨大的需求。传统的空气过滤材料多属于不可生物降解材料，易造成二次污染。纤维素纳米纤维素具有可持续、可再生、生物可降解等特点，并且具有高比表面积、良好的吸附性和易于功能化等的优点，因此，以纤维素纳米纤维素为基元材料发展可取代传统空气过滤材料的滤材具有很大的实用价值和发展潜力。项目主要研究内容：(1)纤维素纳米纤维的稳定化可控制备研究；(2)纤维素纳米纤维分散液干燥过程中氢键结构形成与其宏观结构关系研究；(3)纤维素纳米纤维宏观聚集体结构成型调控与应用研究；(4)纤维素纳米纤维/多孔基材复合材料过滤性能的构效关系研究。项目以黄麻纤维为原料，制备了尺寸均一的纤维素纳米纤维，优化了制备工艺，简化过程，降低能耗，有利于环保，也为黄麻纤维的高附加值应用开辟了新的方向。在该制备工艺的基础上，扩大原料制备范围，实现了从甘蔗渣、麦秸秆、亚麻纤维、木浆纤维等4种材料中制备纤维素纳米纤维的目标，完善和优化了相关工艺参数，为纤维素纳米纤维稳定化可控制备奠定基础，并放大规模制备，为传统农作物废弃秸秆处理寻找了新的出路。以传统的多孔滤材为基底，在其表面构筑具有三维立体纳米网状结构的纤维素纳米纤维，制备出了可全生物降解高效空气过滤材料，过滤拦截效率可以达94.6%，相对与其本底材料来说，过滤效率增加了15倍，而压阻值只增加了5倍，改性处理后的复合滤材可以在80%相对湿度下保持较高过滤效率，探明了三维立体纳米网状结构的机理和调控规律，建立相应的结构调控方法，为制备拦截过滤PM2.5及个体防护提供高效的过滤材料奠定了基础。此外，将纤维素纳米纤维应用于成像方法学研究、生物医用材料表面改性，扩大了纤维素纳米纤维应用范围。利用纤维素纳米纤维构筑可生物降解空气过滤材料有利于环境保护和可再生资源的高值化利用，对未来经济可持续发展具有重要意义。