论文部分内容阅读
纤维素纳米纤丝（ cellulose nanofibrils ， CNF ）作为纳米纤维素（nanocellulose，NC）的一种，具有长径比高、柔韧性强、易改性等优势，以 CNF 为原料制备的气凝胶在化工材料、生物医学、建筑材料、储能材料等领域被广泛应用。CNF气凝胶是一种由CNF聚集组装而成的类似海绵状的材料，其微观形貌及结构在一定程度上会影响其性能；同时，对CNF进行改性处理，可以扩大CNF气凝胶的应用环境和范围。
本文对水稻秸秆进行化学纯化处理，采用 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化体系协同超声波法，制得体系稳定的CNF悬浮液，研究了叔丁醇对 CNF 悬浮液真空冷冻干燥后的气凝胶微观形貌及内部结构的影响，并探究了叔丁醇冷冻干燥制得的 t- CNF 气凝胶对亚甲基蓝（MB）的染料吸附性能，最后采用硅烷偶联剂对CNF的疏水及力学性能进行改性处理。主要研究内容及结论如下：
（1）以水稻秸秆为原材料，采用化学处理制得水稻秸秆纯化纤维素，再经TEMPO氧化预处理联合超声波法获取CNF，研究超声波处理时间对 CNF 悬浮液体系稳定性的影响；结果表明：对水稻秸秆原料采用甲苯：乙醇=2：1溶液抽提、NaClO2处理、KOH处理可有效脱去水稻秸秆中的脂蜡质、木质素、半纤维素等；以 450W 功率对TEMPO 氧化纤维素超声处理 30min，可制得稳定性较好、直径分布在5-40nm的丝状CNF；其内部晶体结构仍保持纤维素I型，结晶度为52.63%，最大热解速率温度为330℃；
（2）在CNF水悬浮液中添加不同量的叔丁醇改变冷冻分散媒介，研究叔丁醇对 CNF悬浮液真空冷冻干燥后的气凝胶微观形貌及内部结构的影响；结果表明：在 CNF 悬浮液中添加不同含量的叔丁醇，可制得低密度（7.03-8.18 mg/cm3）、高孔隙率（99.49-99.56%）的气凝胶，整体微观形貌呈三维片状交联结构，添加叔丁醇的 CNF 悬浮液冻干后得到的气凝胶内部有密集细小的孔洞分布在片状薄膜上，局部呈现纤维网络结构；CNF气凝胶是以介孔和大孔为主的多孔材料；添加叔丁醇可有效提高气凝胶比表面积，增大孔容；
（3）以 CNF 悬浮液为原料，通过冻融凝胶、叔丁醇溶剂置换、液氮冷冻干燥制得t-CNF气凝胶，并研究其对MB的吸附性能，考察了吸附剂用量、溶液pH值的影响，并利用吸附动力学和吸附等温线模型对吸附机理进行探讨分析；结果表明：叔丁醇冷冻干燥得到的t-CNF气凝胶内分布着大量由直径6-26nm的蛛丝状纤丝构成的三维网络结构，其比表面积为52.25m2/g，平均孔径为28.82nm，为多孔材料；准二级动力学模型和 Freundlich 吸附等温线模型能更好地描述 CNF气凝胶对MB的吸附过程，计算得到理论最大吸附量为196.08mg/g；t-CNF 气凝胶在水中具有较好的形状记忆恢复性，可吸附硅油中的MB，且经5次循环吸附后，对MB染料的去除率仍达88%；
（4）采用 3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）分别对 CNF 悬浮液进行硅烷化改性，冷冻干燥后制得气凝胶，分别记为CNF-K、CNF-M，研究硅烷偶联剂对CNF气凝胶微观形貌结构、力学性能及疏水性能的影响，并对气凝胶的吸油性能进行了初步试验；结果表明：经KH550、MTMS改性得到的CNF-K、CNF-M气凝胶，其结晶度分别为55.38%、50.13%；微观形貌内部纤维交叉成网，呈现三维纳米网络结构，平均直径分别为 26.3nm、24.3nm；热稳定性CNF-K劣于CNF-M，压缩模量分别为14.78kPa、13.18kPa，水接触角分别为132.26°、133.13°；CNF-M对油的吸附能力（67.69g/g）优于CNF-K气凝胶（58.77g/g）。
本文对水稻秸秆进行化学纯化处理，采用 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）氧化体系协同超声波法，制得体系稳定的CNF悬浮液，研究了叔丁醇对 CNF 悬浮液真空冷冻干燥后的气凝胶微观形貌及内部结构的影响，并探究了叔丁醇冷冻干燥制得的 t- CNF 气凝胶对亚甲基蓝（MB）的染料吸附性能，最后采用硅烷偶联剂对CNF的疏水及力学性能进行改性处理。主要研究内容及结论如下：
（1）以水稻秸秆为原材料，采用化学处理制得水稻秸秆纯化纤维素，再经TEMPO氧化预处理联合超声波法获取CNF，研究超声波处理时间对 CNF 悬浮液体系稳定性的影响；结果表明：对水稻秸秆原料采用甲苯：乙醇=2：1溶液抽提、NaClO2处理、KOH处理可有效脱去水稻秸秆中的脂蜡质、木质素、半纤维素等；以 450W 功率对TEMPO 氧化纤维素超声处理 30min，可制得稳定性较好、直径分布在5-40nm的丝状CNF；其内部晶体结构仍保持纤维素I型，结晶度为52.63%，最大热解速率温度为330℃；
（2）在CNF水悬浮液中添加不同量的叔丁醇改变冷冻分散媒介，研究叔丁醇对 CNF悬浮液真空冷冻干燥后的气凝胶微观形貌及内部结构的影响；结果表明：在 CNF 悬浮液中添加不同含量的叔丁醇，可制得低密度（7.03-8.18 mg/cm3）、高孔隙率（99.49-99.56%）的气凝胶，整体微观形貌呈三维片状交联结构，添加叔丁醇的 CNF 悬浮液冻干后得到的气凝胶内部有密集细小的孔洞分布在片状薄膜上，局部呈现纤维网络结构；CNF气凝胶是以介孔和大孔为主的多孔材料；添加叔丁醇可有效提高气凝胶比表面积，增大孔容；
（3）以 CNF 悬浮液为原料，通过冻融凝胶、叔丁醇溶剂置换、液氮冷冻干燥制得t-CNF气凝胶，并研究其对MB的吸附性能，考察了吸附剂用量、溶液pH值的影响，并利用吸附动力学和吸附等温线模型对吸附机理进行探讨分析；结果表明：叔丁醇冷冻干燥得到的t-CNF气凝胶内分布着大量由直径6-26nm的蛛丝状纤丝构成的三维网络结构，其比表面积为52.25m2/g，平均孔径为28.82nm，为多孔材料；准二级动力学模型和 Freundlich 吸附等温线模型能更好地描述 CNF气凝胶对MB的吸附过程，计算得到理论最大吸附量为196.08mg/g；t-CNF 气凝胶在水中具有较好的形状记忆恢复性，可吸附硅油中的MB，且经5次循环吸附后，对MB染料的去除率仍达88%；
（4）采用 3-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、甲基三甲氧基硅烷（MTMS）分别对 CNF 悬浮液进行硅烷化改性，冷冻干燥后制得气凝胶，分别记为CNF-K、CNF-M，研究硅烷偶联剂对CNF气凝胶微观形貌结构、力学性能及疏水性能的影响，并对气凝胶的吸油性能进行了初步试验；结果表明：经KH550、MTMS改性得到的CNF-K、CNF-M气凝胶，其结晶度分别为55.38%、50.13%；微观形貌内部纤维交叉成网，呈现三维纳米网络结构，平均直径分别为 26.3nm、24.3nm；热稳定性CNF-K劣于CNF-M，压缩模量分别为14.78kPa、13.18kPa，水接触角分别为132.26°、133.13°；CNF-M对油的吸附能力（67.69g/g）优于CNF-K气凝胶（58.77g/g）。