木质纤维素气凝胶形成方法与机理研究

The crossing and intergrating of multiply subjects of wood physics,wood chemistry,physical chemistry,materials chemistry,and instrumental analysis are applied in the study. Biomass materials such as wood and straw are used to separate cellulose fiber and further obtain microfiber for preparing cellulose aerogel via Sol-Gel integrated drying process, which will be analyzed by using FTIR, Raman, XPS, XRD, SEM, AFM, TEM, GPLC, pore volume, pore size, and specific area measurement. The relationships between the property of nano microfiber, solvent system, and coagulant and the pore structure and properties of the obtained cellulose aerogel will be deeply discussed. The effect of cellulose modification, chemical crosslink on the pore structure and properties of the cellulose aerogel will be investigated. And the effects of fire-retardant treatment，introduction of multi-π-conjugated structure and electrical polymer on the aerogel will be also investigated. The key scientific problem to be solved is the formation method and theory of cellulose aerogel. This study is the advanced project in this field. chinese scholars are confident to occupy the acedamic highland. The basic research about cellulose aerogel is carried out to offer theoretical basis for high added value aerogel from renewable cellulosic resources and also to offer technical support for sophisticated development of biomass industry.

综合运用木材物理、木材化学、物理化学、材料化学及仪器分析等多学科交叉融合理论，采用FTIR、Raman、XPS、XRD、SEM、AFM、TEM、GPLC、孔容、孔径和比表面积测定等手段，以木材、秸秆等生物质为研究对象，分离其中的木质纤维并离析获得纳米微纤丝，通过溶胶-凝胶结合干燥的方法，制备纤维素气凝胶。围绕纤维素纳米微纤丝的性质、溶剂体系和凝固体系对纤维素气凝胶的孔隙结构和性能的关系，纤维素改性和化学交联与孔隙控制和性能的关系，阻燃处理、引入多π共轭结构单元及有机融入导电高分子等功能因子对气凝胶的影响开展深入系统的基础研究。其中，拟解决的关键科学问题是：木质纤维素气凝胶的形成方法与形成理论。该项研究系该领域前沿课题，中国学者有信心占领这一学术高地，开展纤维素气凝胶基础研究为利用可再生的纤维素资源获得高附加值气凝胶产品提供理论依据，为促进生物质产业向高尖端发展提供技术保障。

纤维素气凝胶作为新生的第三代气凝胶材料，不仅具备传统的硅气凝胶和聚合物基气凝胶的优良特性（如：交联的三维网络结构，极高的孔隙率和比表面积，超低的密度及良好的热、声、电绝缘性等），同时也融入了自身的优异性能，如：生物相容性、亲水性、可降解性等。因此，纤维素气凝胶在绝缘材料、环境修复、药物缓释等诸多领域拥有广阔的应用前景。本团队以秸秆、椰壳等农林生物质资源为原料，采用化学法提纯纤维素成分；并以绿色、低廉的氢氧化钠/聚乙二醇溶液为纤维素溶剂（相较于铜氨溶液、离子液体、氯化锂/N, N二甲基乙酰胺等溶剂体系更加经济、环保），创新性地采用溶解、冻融、再生和冷冻干燥等工艺，成功制备了轻质高强、纳米多孔的再生纤维素气凝胶。此外，本团队采用化学法结合高频脉冲超声法从秸秆、椰壳等生物质资源中分离出高长径比的纤维素纳米纤丝，再经由叔丁醇浓缩、冷冻干燥等工艺，制得了超轻的纳米纤丝化纤维素气凝胶。.在惰性气体保护下，纤维素气凝胶可经由高温热解转化为碳气凝胶，且保留了原先的孔隙结构。因此，纤维素/碳气凝胶中的微纳米尺度的多孔结构可以作为原位合成纳米颗粒的纳米反应器或用于负载高含量的功能小分子。本团队采用溶剂热法、气相沉积法、气相聚合法、氧化共沉淀法等手段，在纤维素/碳气凝胶的三维骨架结构上，生长形貌、功能各异的纳米材料（如：氧化石墨烯、碳纳米管、聚吡咯、纳米银、锐钛矿相TiO2、ZnO纳米棒、α-FeOOH纳米针和纳米花、α-Fe2O3、γ-Fe2O3等），赋予了气凝胶材料催化、抑菌、导电、微波吸附、重金属离子吸附等功能，旨在拓展纤维素/碳气凝胶产品在处理污染性水体（染料废水、含油废水及重金属离子废水）、电磁屏蔽、抑菌剂等领域中的应用。.综上所述，本团队发展了一种新型、廉价的纤维素气凝胶的制备方法；并以纤维素/碳气凝胶为模板，合成了功能各异的气凝胶产品，深入拓展了气凝胶产品的功能和应用领域，为进一步研发新型、高性能的气凝胶功能材料奠定了坚实的基础。