源于不同生物质纳米纤维素的气凝胶制备与结构性能对比
发布时间：2020-09-03 15:12
开发环境友好型新材料已成为全球性共识,生物质材料的合理开发和利用受到广泛关注。纤维素广泛存在于生物质材料的细胞壁中,经化学纯化和纳米解纤化处理,可将纳米纤维素(CNF)从生物质材料的细胞壁中剥离出来,再经过冷冻干燥处理可制备轻质多孔气凝胶材料。通常,气凝胶由无机材料,如二氧化硅等制成,但是二氧化硅气凝胶较脆并且易碎,即使在较低的拉伸或压缩应力下也容易破裂。近年来,纤维素气凝胶备受关注。但是,传统的纤维素气凝胶存在热稳定性差、弹性低等缺陷,这大大限制了纤维素气凝胶的综合应用。在本研究中,我们分别从棉花、木材、竹材和稻秸四种不同类型的生物质材料中制备高长径比的纳米纤维素,以纳米纤维素为基本构筑单元制备气凝胶。通过对比气凝胶的结构与性能差异,明确不同生物质衍生的纳米纤维素在构筑气凝胶过程中的相关科学机理,以期为开发结构性能优异的纳米纤维素气凝胶材料建立一定的科学基础。所取得的主要研究成果总结如下:(1)研究了从不同生物质原料中制备的纳米纤维素的结构与性能差异:以棉花为原料制备的纳米纤维素(Co-CNF)的α-纤维素含量接近100%,而木材、竹材和稻秸纳米纤维素(Wo-CNF、Ba-CNF和Rs-CNF)中的α-纤维素含量分别为83.6%、84.3%和82.1%。Co-CNF 的数均聚合度为 2270,高于 Wo-CNF(1910)、Ba-CNF(1690)和Rs-CNF(1880)。在流变性能分析过程中,所有纳米纤维素水悬浮液均表现出弹性行为,并且其流变性能几乎不受温度影响;(2)通过对四种纳米纤维素气凝胶的力学性能对比研究,发现源于0.5wt%的纳米纤维素水悬浊液制备出的气凝胶具有相对较高的比压缩强度和模量。棉花、木材、竹材和稻秸纳米纤维素气凝胶(CoNA-05、WoNA-05、BaNA-05和RsNA-05)的比压缩强度分别为10.5、16.3、14.1和12.6 MPa·g-1·cm3。CoNA-05具有更高的柔韧性和弹性,循环压缩20次后仍可回弹至原始高度的～70%,而其它三种气凝胶的弹性则相差甚远;(3)通过对四种纳米纤维素气凝胶的热学性能对比研究,发现所有纳米纤维素气凝胶的热降解温度均在300℃以上。因CoNA-05中几乎不含半纤维素,CoNA-05展现出最高的热稳定性,在空气、氮气中的热降解温度分别为318.8℃和333.2℃。纳米纤维素气凝胶的热导率随着孔隙率的上升而下降。在25℃时,CoNA-05的导热率为0.0442 W·m-1 K-1,此温度下的热导率与其它三种气凝胶相差不大;(4)借助原位聚合策略在纳米纤维素表面构筑聚吡咯,所得复合气凝胶中的纳米纤维素仍然展现出天然纤维素的结晶构造,并保证复合气凝胶的力学强度。而聚吡咯的引入显著提高了复合气凝胶的导电性能。通过高温碳化处理,所得碳气凝胶展现出优异的电化学性能。其中,作为钠离子电池的电极,源于棉花纳米纤维素的复合碳气凝胶的电化学性能优于木材纳米纤维素碳气凝胶复合电极。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ427.26
【部分图文】：
Ｔｉ０２晶格畸变产生缺陷，气凝胶变为亲水材料，水接触角甚至降至０°，并具逡逑有超吸水性，可以吸收自身重量１６倍的水。继续将复合气凝胶置于暗处存储后，能够逡逑缓慢恢复其初始的不吸水性和疏水性，接触角变化如图１－２所示。微纳米复合气凝胶的逡逑多尺度、粗糙和多孔形貌，对其在不同状态下的吸水和润湿行为的变化起重要的促进作逡逑用。由于纤维素分子链上的羟基含量丰富，可以对其进行酯化，醚化或接枝处理，获得逡逑疏水材料。Ｗａｇｂｅｒｇ等［６３］经过氟氯硅烷高温气相反应，在气凝胶上沉积，对改性气凝胶逡逑的疏油性进行考察发现未改性的纤维素膜和气凝胶能够被低表面张力的蓖麻油完全润逡逑湿，改性后ＣＮＦ膜对蓖麻油的接触角提高到９６°，表现出疏油性，而密度大于０．３逡逑ｍｇ，ｃｎ＾３的气凝胶改性后，对蓖麻油的接触角更是高达１６６°，说明气凝胶多孔粗糙的表逡逑面形貌和含氟分子的低表面能对气凝胶的疏油性有协同作用。逡逑１．１．３．４电／磁材料逡逑将气凝胶或碳气凝胶浸泡在金属化合物水溶液中，经过化学或电化学还原，原位生逡逑成附着在纤维素骨架上的无机纳米颗粒，或是浸泡在含有导电粒子的溶液中，可得到具逡逑有电磁特性的复合气凝胶
＇，聚苯胺以纳米片层的形式自组装在纳米逡逑纤维素上，随着聚合温度升高纳米片层变大，片层上的微孔即为能量储存单元（如图１－逡逑３ｉ）。此种氮掺杂的碳纳米片层通常具有更高的比表面积，增加了更多储能的活性位逡逑点、缩短了离子扩散路径，实现了自身内阻小并且在不同扫描速率下仍保持较高的电逡逑容，１００００次循环测试后比电容仍保留为原来的９９％。Ｉｋｋａｌａ等［６４］以柔性的ＣＮＦ气凝胶逡逑为模板，将其浸泡在导电聚合物聚苯胺与掺杂剂的甲苯溶液中，并随后进行真空干燥，逡逑得到的导电气凝胶保持了原有的孔结构而不坍塌，在极低的聚苯胺含量下（０．１邋ｖｏｌ％）逡逑即可得到较高电导率（？ｌＣ＾Ｓｘｎｆ１）的柔性多孔纳米纤维素基气凝胶，并且具备在传感逡逑导电、医学以及制药等领域应用的潜能。逡逑]嬪义蟸栧义贤迹保诚妇宋仄杭捌涮计旱奈⒐劢峁梗郏常矗蒎义希拢澹颍纾瑁恚涞龋郏叮担堇媚擅紫宋胤肿恿瓷系难踉佑虢鹗粞衾胱又涞呐技饔茫义夏擅紫宋仄褐糜诹蛩嵫翘然艿乃芤褐
本文编号：2811611
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ427.26
【部分图文】：
Ｔｉ０２晶格畸变产生缺陷，气凝胶变为亲水材料，水接触角甚至降至０°，并具逡逑有超吸水性，可以吸收自身重量１６倍的水。继续将复合气凝胶置于暗处存储后，能够逡逑缓慢恢复其初始的不吸水性和疏水性，接触角变化如图１－２所示。微纳米复合气凝胶的逡逑多尺度、粗糙和多孔形貌，对其在不同状态下的吸水和润湿行为的变化起重要的促进作逡逑用。由于纤维素分子链上的羟基含量丰富，可以对其进行酯化，醚化或接枝处理，获得逡逑疏水材料。Ｗａｇｂｅｒｇ等［６３］经过氟氯硅烷高温气相反应，在气凝胶上沉积，对改性气凝胶逡逑的疏油性进行考察发现未改性的纤维素膜和气凝胶能够被低表面张力的蓖麻油完全润逡逑湿，改性后ＣＮＦ膜对蓖麻油的接触角提高到９６°，表现出疏油性，而密度大于０．３逡逑ｍｇ，ｃｎ＾３的气凝胶改性后，对蓖麻油的接触角更是高达１６６°，说明气凝胶多孔粗糙的表逡逑面形貌和含氟分子的低表面能对气凝胶的疏油性有协同作用。逡逑１．１．３．４电／磁材料逡逑将气凝胶或碳气凝胶浸泡在金属化合物水溶液中，经过化学或电化学还原，原位生逡逑成附着在纤维素骨架上的无机纳米颗粒，或是浸泡在含有导电粒子的溶液中，可得到具逡逑有电磁特性的复合气凝胶
＇，聚苯胺以纳米片层的形式自组装在纳米逡逑纤维素上，随着聚合温度升高纳米片层变大，片层上的微孔即为能量储存单元（如图１－逡逑３ｉ）。此种氮掺杂的碳纳米片层通常具有更高的比表面积，增加了更多储能的活性位逡逑点、缩短了离子扩散路径，实现了自身内阻小并且在不同扫描速率下仍保持较高的电逡逑容，１００００次循环测试后比电容仍保留为原来的９９％。Ｉｋｋａｌａ等［６４］以柔性的ＣＮＦ气凝胶逡逑为模板，将其浸泡在导电聚合物聚苯胺与掺杂剂的甲苯溶液中，并随后进行真空干燥，逡逑得到的导电气凝胶保持了原有的孔结构而不坍塌，在极低的聚苯胺含量下（０．１邋ｖｏｌ％）逡逑即可得到较高电导率（？ｌＣ＾Ｓｘｎｆ１）的柔性多孔纳米纤维素基气凝胶，并且具备在传感逡逑导电、医学以及制药等领域应用的潜能。逡逑]嬪义蟸栧义贤迹保诚妇宋仄杭捌涮计旱奈⒐劢峁梗郏常矗蒎义希拢澹颍纾瑁恚涞龋郏叮担堇媚擅紫宋胤肿恿瓷系难踉佑虢鹗粞衾胱又涞呐技饔茫义夏擅紫宋仄褐糜诹蛩嵫翘然艿乃芤褐
本文编号：2811611
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