纤维素模板分子筛的有机-无机自组装及结构调控机理

The regulation mechanism of organic-inorganic self-assembly on the microstructure of zeolite by using cellulose as template was studied. It provided the theoretical basis for the preparation of zeolite membrane with controlled mesoporous structure. The organic-inorganic self-assembly pathway is a silica-alumina sol, which is templated by cellulose under the action of hydrogen bonds, crystallized by hydrothermal or microwave radiation, and finally the cellulose template is removed to form molecular sieves. The formation of well-orientated cellulose structure and its effect on the mesoporous structure of sol and zeolite was systematically studied. The regulation of cellulose structure on zeolite properties was systematically studied. The relationship between microstructure and macroscopic properties of sol and molecular sieves was established by systematic study of zeolite templated by different cellulose templates. The regulation mechanism of organic-inorganic self-assembly on the microstructure of zeolite membrane was clarified. On this basis, molecular sieve membrane with high selectivity and permeability were prepared after optimization of process condition. The investigation of this project provides useful reference for the preparation of cellulose gels, microspheres, and fibers with mesoporous structure.

本项目研究有机-无机自组装对纤维素模板导向的分子筛微观结构的调控机理，为实现可控介孔结构的分子筛膜制备提供理论依据。有机-无机自组装途径为硅铝溶胶在氢键作用下以纤维素为模板导向，经水热或微波辐射晶化，最后脱去纤维素模板形成分子筛。系统研究纤维素的有序结构的建立及其对溶胶及分子筛介孔结构的影响以及有序结构的纤维素模板对分子筛性质的调控。通过对不同有序结构纤维素模板导向的分子筛进行系统研究，建立模板分子与分子筛作用结构模型，建立溶胶与分子筛的微观结构与宏观性能的关系，阐明有机-无机自组装对分子筛膜微观结构的调控机理。在此基础上，实现高选择性和透过性分子筛膜制备。本项目的研究可为制备具有介孔结构的纤维素凝胶、微球和纤维等材料提供借鉴。

我们探索了不同模板的分子筛合成，发现小分子葡萄糖模板不能够形成分子筛，而有序大分子的羟丙基纤维素和纤维素/NaOH/尿素水溶液模板能够形成分子筛；以作为模板的纤维素制备多孔隙材料，可作为分子筛模板和承载物，及其以纤维素发泡材料为基体的纤维素/碳纤维电磁屏蔽材料的性能和机理，最后阐明了纤维素模板分子筛的形成机制及其在阻燃领域的应用。纤维素/NaOH/尿素水溶液经SDS发泡，成功制备出具有微米-纳米二级孔道的多孔轻质材料。经SEM、BET等测试表征表明纤维素多孔材料孔径约为70-200nm，其比表面积为100 m2/g，具有优异的抗压缩性能，在催化、吸附、吸声、保温等领域具有应用前景，可作为分子筛合成的模板支撑；在此基础上将酸处理的短碳纤维（SCF）和长碳纤维（LCF）添加到纤维素溶液中以产生EMI复合泡沫。碳纤维构建了导电网络，其中SCF最可能在气泡池壁中定向，并且LCF穿透气泡。LCF /纤维素泡沫显示出更好的导电性和更高的EMI屏蔽性能（60F的LCF20）；在几分钟内通过热压原位制备木纤维模板分子筛的阻燃无醛MDF，利用水玻璃和Al2(SO4)3形成分子筛，并通过SEM，TEM，BET和XRD表征。根据制备过程的温度和压力测试，我们提出了一种可能的分子筛形成机理。分子筛涂层的木纤维将热解气体和空气分开，以避免进一步燃烧，从而导致低热量释放，烟雾和有毒的CO排放以及高残留物质量，具有良好的阻燃性。