高強度纖維素氣凝膠製備、結構與性能

《高強度纖維素氣凝膠製備、結構與性能》是依託武漢大學，由蔡傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高強度纖維素氣凝膠製備、結構與性能
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡傑
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

氣凝膠是具有納米孔三維網路結構，極高孔隙率、極低密度、高比表面積的先進材料。本項目利用鹼/尿素水溶液低溫快速溶解纖維素，並製備纖維素水凝膠，然後通過超臨界乾燥等方法製備纖維素氣凝膠。探索用沉澱法、溶膠－凝膠、水熱或溶劑熱合成等方法合成纖維素/納米複合氣凝膠的最佳途徑。深入研究纖維素凝聚態結構及其與納米粒子相互作用，獲得具有優異功能（力學性能、熱學性能和光電性能）的纖維素/納米複合氣凝膠。闡明纖維素氣凝膠微觀結構與本徵性能之間的關係，實現功能設計和調控，揭示新規律和新性能。該新型纖維素氣凝膠不僅是對纖維素新材料探索的發展，也是構建新型氣凝膠材料的一條嶄新途徑。本項目不僅深入研究和發展鹼/尿素水溶液低溫快速溶解這一自主創新的纖維素基礎研究，並將開拓它在材料、環境、能源和生物技術等方面的重大套用前景，具有重要的學術意義和經濟價值。

結題摘要

我們以具有納米孔結構的纖維素凝膠為模板或載體，採取sol-gel法、氧化還原、化學氧化等溫和手段在凝膠內原位合成具有光、電、磁、催化性能的氧化物納米粒子、導電高分子等不同種類的納米粒子，以及層狀結構的複合凝膠，並利用冷凍乾燥或超臨界CO2乾燥等技術製備出相應的納米複合氣凝膠。同時，我們還以與纖維素具有類似結構的甲殼素為研究對象，成功地得到高濃度甲殼素溶液，並且發現從水溶性有機溶劑凝固體系（如甲醇、乙醇等）而非水溶劑凝固體系更易於製備出高強度的甲殼素水凝膠，進一步製備出甲殼素、殼聚糖氣凝膠、膜等材料。這些氣凝膠具有極低的密度、高的孔隙率和比表面積、適中的熱穩定性、高的力學性能以及良好的生物相容性。我們利用高分子物理理論、表征方法和儀器重點研究了纖維素和甲殼素凝膠與水、有機或高分子化合物、不同種類納米粒子之間的相互作用和表界面性質，以及材料的構效關係。我們還在上述研究的基礎上開展以納米孔纖維素凝膠增強高分子材料的研究。將（甲基）丙烯酸酯單體和己內酯單體分別置換到纖維素凝膠中，在催化劑作用下原位聚合得到纖維素凝膠/聚（甲基）丙烯酸酯和纖維素凝膠/聚己內酯納米複合材料，並且利用愈滲模型研究纖維素凝膠對複合材料的力學增強行為。隨著纖維素含量的增加，複合材料在高於玻璃化轉變溫度時模量明顯增加，而且耐溶劑性能增強、熱穩定性增加，同時熱膨脹係數明顯降低。此外，我們還採用簡便而又“綠色”的熱壓技術改變纖維素凝膠的聚集態結構，成功構建出高強度、透明的纖維素生物塑膠，並利用全生命周期分析方法對纖維素生物塑膠和石油基高分子塑膠進行了比較，綜合評價它們對資源和環境的影響。課題負責人受邀參加美國化學會第245屆會議（2013）並作題為“Crystalline polysaccharide aerogels”的口頭報告。 本項目已按原計畫的內容順利完成：在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem.、J. Mater. Chem. A.等期刊發表SCI收錄論文9篇（一區論文4篇），影響因子大於13的1篇，大於4的6篇；已投稿和待投稿論文10篇；H因子18。完成參編論著3部；獲授權國際和中國發明專利5項，申請3項；在國內外重要會議作口頭報告5次。2012年獲“國家自然科學獎二等獎”（排名第三）和“2012年度中國高等學校十大科技進展獎”（排名第二）。