【摘 要】
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纤维素广泛存在于生物质资源中,经过化学纯化结合机械解纤处理制得的纤维素纳米纤维（CNF）,再经冷冻干燥方法处理后可制得气凝胶。纤维素基气凝胶具有低成本、可再生和可生物降解等优势,近年来受到了广泛的关注。定向冷冻被视为一种制备具有规定孔隙尺寸和壁厚的各向异性气凝胶的有效技术,本论文通过定向冷冻技术来构建各向异性的纳米纤维素气凝胶,进一步探讨定向冷冻法在各向异性纳米纤维素基气凝胶制备中的工作机理和普遍
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纤维素广泛存在于生物质资源中,经过化学纯化结合机械解纤处理制得的纤维素纳米纤维（CNF）,再经冷冻干燥方法处理后可制得气凝胶。纤维素基气凝胶具有低成本、可再生和可生物降解等优势,近年来受到了广泛的关注。定向冷冻被视为一种制备具有规定孔隙尺寸和壁厚的各向异性气凝胶的有效技术,本论文通过定向冷冻技术来构建各向异性的纳米纤维素气凝胶,进一步探讨定向冷冻法在各向异性纳米纤维素基气凝胶制备中的工作机理和普遍适用性。论文研究的主要内容如下:（1）各向异性纳米纤维素气凝胶的制备。选用木质纳米纤维素,使用定向冷冻法经过冷冻干燥后制备了气凝胶。通过比较冷冻方式（常规冷冻和定向冷冻）对纳米纤维素气凝胶形态、微观结构和性能的影响发现:定向冷冻后的气凝胶具有有序结构并表现出各向异性性质,内部呈现层状三维结构。展现出较好的柔韧性和弹性,轴向和径向的压缩强度分别为357 kPa和61 kPa。径向的导热系数比轴向的导热系数低,仅为0.0291W·m-1K-1。（2）各向异性纳米纤维素复合气凝胶的制备。使用定向冷冻和化学交联工艺制备了一种硅烷改性的纳米纤维素/壳聚糖复合气凝胶,并对气凝胶的微观结构、化学组分、结晶构造、力学、热稳定性、热绝缘性、油水分离性能和阻燃性能进行测试。气凝胶具有低密度、热稳定和高孔隙率等特点。同时,气凝胶还具有各向异性的力学性能,与纳米纤维素气凝胶相比,复合气凝胶的轴向压缩应力更大,而径向柔韧性更好,在径向进行100次压缩循环后未观察到最大应力和厚度恢复的显著降低。凝胶具有各向异性的隔热性能,径向方向上的导热系数较低(0.025～0.032 W·m-1K-1)。气凝胶展现出较好的疏水性（水接触角～142°）和阻燃性。经燃烧测试后,气凝胶的峰值热释放率随着点火时间的延长而降低,峰值热释放速率为15.3 k W·m-2,与纯CNF气凝胶相比减少了92%。（3）各向异性纳米纤维素复合导电气凝胶的制备。在纳米纤维素悬浮液中加入了单壁碳纳米管,采用定向冷冻干燥的方法,制备了各向异性的纳米纤维素复合导电气凝胶,通过对气凝胶的微观形貌、化学组分、结晶构造、力学性能以及变形下的电阻变化测试发现:所制备的复合气凝胶的力学强度相比于纳米纤维素气凝胶有所提高,在轴向和径向方向上的压缩模量分别为114.6 kPa和21.2 kPa,复合气凝胶在50次压缩循环后仍保持97%的恢复率。碳纳米管的引入使复合气凝胶的导电性能增强,复合气凝胶在轴向和径向压缩下均有电阻变化。基于该复合气凝胶开发的传感器可用于检测人体手指和关节的运动变化。
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