若干以自然纖維素物質為模板的功能材料制備和性質研究.pdf

1、全球的經濟與工業(yè)正在飛快地發(fā)展，對材料和能源的需求和消耗也隨之逐年增長。由此導致的煤、石油以及天然氣等不可再生資源的過度消耗和日益嚴重的環(huán)境污染等問題使人們致力于以環(huán)境友好的方法開發(fā)高性能的功能材料，而其中一個有效途徑是利用天然物質本身的性質。纖維素物質是自然界中最為豐富資源之一，具有良好的無毒性、生物降解性、生物相容性以及其獨特天然結構產生的多孔性、柔韌性和高機械強度。在自然纖維素物質模板導向下組裝客體材料，可簡便而有效地將源自天然結

2、構的獨特特性引入到新人工材料中，可實現環(huán)境友好的先進功能材料。
　　 本文以自然纖維素物質為模板，根據天然纖維素物質的表面性質引導客體無機氧化物分子、有機單分子、聚合物鏈以及蛋白質分子等客體材料進行自組裝，將纖維素的宏觀、微觀、納米層次的獨特功能結構與客體材料所涉及的特異性能相結合，從而開發(fā)出各種高性能納米結構材料。主要內容如下:
　　 (1)尺寸可控超精細金紅石相二氧化鈦/二氧化硅復合物:基于纖維素表面羥基與醇鹽的共價

3、作用，通過表面溶膠凝膠法在濾紙的納米纖維表面沉積夾有二氧化鈦超薄凝膠分層的二氧化硅超薄凝膠膜后丁烷火焰燃燒，得到了尺寸可控的超精細金紅石相二氧化鈦/二氧化硅復合材料。纖維素網絡結構減少了相鄰二氧化鈦之間的接觸和聚集，加上快速火焰燃燒和二氧化硅凝膠膜對二氧化鈦的緊密包裹抑制了二氧化鈦在高溫相轉變過程中的晶體生長，所得金紅石相二氧化鈦晶體尺寸可在3.3～16.0 nm范圍內以平均顆粒直徑2.4 nm每二氧化鈦凝膠層沉積循環(huán)次數的精度可控。當

4、晶體大小16.0 nm時該超精細金紅石相二氧化鈦/二氧化硅復合材料催化效率最佳，甚至超過纖維素衍生的納米管狀銳鈦礦相二氧化鈦材料。通過該方法以納米精度控制二氧化鈦晶體尺寸可開拓晶體二氧化鈦的潛在性質。
　　 (2)纖維素衍生天然多層次納米管狀聚合物薄片材料:基于纖維素表面羥基以及聚乙烯醇中羥基與鈦醇鹽的共價作用，在濾紙的納米纖維表面依次交替層層自組裝二氧化鈦超薄凝膠層和聚乙烯醇層，再用氫氧化鈉/尿素溶液選擇性溶解除去纖維素成分，

5、得到具有纖維素衍生天然多層次結構的納米管狀聚合物薄片材料，實現了仿生聚合物材料。所形成的宏觀薄片狀聚合物材料繼承了濾紙原有纖維狀物交織而成的層次狀網絡和對極性溶劑的特有溶脹性質。進一步對該薄片材料進行酸處理可除去二氧化鈦成分獲得具有天然多孔結構的純聚合物材料。
　　 (3)纖維素衍生多功能納米管狀聚合物復合材料:基于沉積了二氧化鈦超薄層的纖維素的活性表面，引導了多種聚合物類客體材料的自組裝，形成了各種納米管狀聚合物復合材料。利用

6、二氧化鈦表面電負性，在納米纖維表面通過靜電作用交替層層自組裝陽離子型聚電解質和陰離子型聚電解質;利用二氧化鈦表面羥基，則可在納米纖維表面通過共價作用沉積肝素或肝素/聚乙烯醇混合物薄膜。經過氫氧化鈉/尿素溶液除去纖維素成分，得到了具備纖維素原有結構和溶脹性的納米管狀聚合物復合材料，同時還保留了客體材料的性質如肝素的抗凝血性。
　　 (4)基于天然纖維素物質的氨氣比色傳感器:基于纖維素表面羥基與苯胺分子的氫鍵作用，導向苯胺分子在纖維

7、素納米纖維表面吸附和聚合形成聚苯胺薄膜，得到了高靈敏度比色傳感器。所沉積的聚苯胺超薄膜（～10 nm厚）完好地保留了纖維素的多孔性和柔韌性，結合聚苯胺對氨氣由綠色到藍色的顯著顯色變化，實現了超靈敏、可重復使用的氨氣比色傳感器。在室溫條件下，其對氨氣和氨蒸氣的肉眼觀察靈敏度分別達到了100 ppm和10 ppm，可重復使用至少50次。
　　 (5)纖維素引導低溫化學法合成石墨烯:基于纖維素結晶區(qū)域的表面羥基與苯胺單體分子的氫鍵作用

8、，導向形成整齊聚苯胺鏈的超分子結構，促使聚苯胺鏈在氫氧化鈉/尿素溶液處理中隨纖維素的溶解而脫氮，實現了低溫合成高質量多層石墨烯納米片。所得石墨烯納米片即使在多孔狀態(tài)下導電率也達3.47 Sm-1。
　　 (6)超順磁性仿生宏觀片狀材料:基于纖維素表面包裹的二氧化硅薄膜層的生物親和性及其表面羥基與蛋白質的共價作用，在用表面溶膠凝膠法包裹了二氧化硅凝膠層的納米纖維表面自組裝固定鐵蛋白分子，經過蛋白質的三價鐵核重組為二價鐵核、進一步二