木质素基纳米生物碳微结构调控及其橡胶应力传感器性能研究

Biochar has received extensive attentions in the field of energy, environment, adsorption, catalysis etc. , because of its low cost, abundance and renewability. Recently, biochar as polymer fillers exhibits great potential, which is becoming an research hotspot. This project proposes that industrial lignin as carbon source is chemically modified to regulate its aggregation structure. Lignin/inorganic (metal) complexes are fabricated via silicane coupling and coordination reaction, aiming to inhibit the particle aggregation formed during drying and pyrolysis process, and enhance its conductivity. The regulatory mechanism of the lignin aggregation structure and its carbonization mechanism are discussed to prepare the high-conductivity nano biochar. The resulted nano biochar is compounded with rubber. The structure-function relationship between the physico-chemical property of filler and the interface structure and property of the composites is discussed, to prepare high performance rubber based composites. The conductivity of the composites at dynamic, quasi-static stress loading is investigated. The relationship of load-filler network-conductive network-conductivity is constructed to clarify the influence factors on the hysteresis effect and relaxation effect of the rubber-based stress sensor, and to realize the high sensitivity, wide range and a variety of measurement modes. The implementation of this project can provide the theoretical and practical basis for the structure-property regulation of new biochar/rubber composites, and realize the high-value utilization of biomass resources.

生物碳由于其价廉易得和可再生的特点在能源、环境、吸附、催化等领域引起了广泛关注。近来，生物碳作为聚合物填料展现出极大的应用潜力，正成为研究热点。本项目拟以工业木质素为碳源，通过化学改性调控其聚集结构，采用硅烷偶联和金属配位反应，形成木质素/无机（金属）复合体，抑制干燥及高温裂解过程中粒子的团聚，增强其导电能力；深入研究木质素聚集结构调控机制和碳化机理，制备出高导电性的纳米级生物碳；将纳米生物碳与橡胶共混，探讨填料物化性质、界面结构与复合材料性能之间的构效关系，构筑高性能的橡胶复合材料；考察在动、静态多种载荷下复合材料的导电能力，构建载荷-填料网络-导电网络-电导率之间的相互关系，深入研究应力传感器滞后效应、驰豫效应的影响因素，实现其高灵敏度、宽量程和多种测量模式。本项目的开展可为新型生物碳/橡胶复合材料结构-性能的调控提供理论依据和实践依据，实现生物质资源的高值化利用。

高导性纳米木质素基生物碳的制备及其在橡胶增强、导电、力-电-磁传感等功能性的应用，是实现木质素高值化利用的有效解决途径之一。本项目研究了化学改性对木质素聚集结构的调控机理。研究发现，通过羟甲基化改性，木质素分子可转变为100nm球形胶体结构，而羟丙基化改性则使木质素分子接枝亲水性聚烷氧丙烯链。这两种具有不同聚集结构的改性木质素在丁苯橡胶、聚碳酸亚丙酯的补强作用有显著差异；通过喷雾干燥-碳化-球磨技术，制备了高结构性的纳米木质素生物碳，研究了其微结构及对丁苯橡胶的补强作用。与商品化碳黑相比，纳米木质素生物碳具有类似的补强作用，但补强机理稍有不同；采用共凝胶化方法制备了纳米级木质素生物碳/SiO2杂化材料，研究了其微结构演化和性质，探索了其对丁苯橡胶的补强作用。研究发现，通过羟基化改性的木质素与SiO2共沉，可获得粒径更小的杂化材料，从而具有更加优异的补强作用；将木质素作为绿色还原剂还原氧化石墨烯（RGO），并以RGO作为模板制备多孔碳材料、中空微球等材料，研究其电化学行为，探索其在能源储能领域的应用潜力。研究发现，木质素可高效地修复氧化石墨烯共轭结构，并以盘状分子构象吸附于RGO纳米片表面，从而赋予复合材料优异的赝电容特性，通过喷雾和碳化进一步转化为多孔或中空结构碳材料，为后续的功能性应用奠定基础；采用尿素分解法，以钴铝水滑石为模板，碳化制备了金属氧化物修饰的片状木质素磺酸钠生物碳，研究了其微结构、化学组成及电化学行为。研究发现，金属氧化物修饰的片状木质素磺酸钠生物碳具有优异的电化学特性；采用水热配位将铜、钴金属离子掺杂于木质素分子中，调控其聚集结构与导电性，通过碳化制备了纳米铜、钴金属粒子掺杂的木质素生物碳，研究了其微结构和导电性。本项目采用化学改性、模版法、金属离子掺杂对木质素分子聚集结构和生物碳微结构进行调控，为制备高导电性纳米级生物碳，实现其在聚合物增强、导电等领域的多功能应用提供了理论依据和借鉴价值。