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纤维素是地球上储量丰富且可再生的生物质资源,因其突出的机械性能和化学活性已被加工成各种纸制品、滤膜和纺织材料等。随着对纤维素纤维分级结构以及化学性质的逐渐认知,新型纤维制品不断被开发,例如:纳米纤维纸、三维多孔纤维素气凝胶等,并在生物传感、电子柔性器件、催化、无机纳米粒子合成以及储能等领域表现了巨大的应用前景。本文立足于解决目前再生纤维素膜存在韧性差的问题以及对高性能纤维素材料开发的需求,在充分发挥纤维素结构及性质优势的基础上,结合特殊的物理及化学处理技术,制备了超柔韧再生纤维素膜、高强高模量天然纤维素纤维、高强高韧性天然纤维素透明膜以及超疏水/超亲油纤维素气凝胶。以天然纤维素为原料,采用离子液体为纤维素溶剂,制备了再生纤维素膜。为改善纤维素膜脆、硬的性能不足,开发了一种新型纤维素增塑剂,氯化胆碱/尿素。研究了氯化胆碱/尿素对再生纤维素膜的增塑行为,结果表明:氯化胆碱/尿素的添加可以有效地改善再生纤维素膜的柔韧性。随着氯化胆碱/尿素与水的摩尔比从0.01增加到0.04,再生纤维素膜的断裂拉伸应变先增加后减小,当氯化胆碱/尿素与水的摩尔比为0.02时,断裂拉伸应变最大,约为35%。此外,氯化胆碱/尿素在再生纤维素膜中具有很好的稳定性,不会发生相分离。利用细菌纤维素纤维优异的物理性质(结晶度高、纤维长、机械性能好),采用湿拉伸与湿捻相结合的方法,制备了高强高模量纤维素纤维,其拉伸强度和杨氏模量分别高达826 MPa,65.7 GPa。研究了湿拉伸对纤维素纤维结构、形貌以及取向程度对纤维素纤维机械性能的影响,并探索了其在纺织领域的应用前景,结果表明:拉伸可显著提高纳米纤维沿拉伸轴向的有序度;随着湿拉伸应变从0%增加到30%,纤维拉伸强度也随之增加,当湿拉伸应变为30%时,制得的纤维的拉伸强度和杨氏模量达到最大值,分别比未经湿拉伸纤维强度提高了6.2%和17.8%。其比拉伸强度高达598 MPa g-1 cm3,强于轻质高强钢(227 MPa g-1 cm3);制备的超强纤维具有纺织材料的柔韧性、可染性,且可规模化生产,在纺织领域具有巨大应用前景。利用细菌纤维素,在传统拉伸取向方法的基础上,开发了深度拉伸技术,制备了超强、超韧的天然纤维素膜。研究了拉伸取向程度对纤维素膜结构、机械性能和光学性能的影响,并进行了分子动力学模拟分析。结果表明:深度拉伸可以克服传统拉伸应变低的问题(拉伸应变仅为20%),可提高细菌纤维素膜的预拉伸应变到40%。随着预拉伸应变从0%提高到40%,细菌纤维素膜的拉伸强度和韧性均随之增加,当预拉伸应变为40%时,数值达到最大,分别为1 GPa,25 MJ m-3。采用分子动力学模拟分析表明:长的纤维素分子链,高度定向的纤维排列导致在受到外界拉力作用时长的纤维素分子链滑移面是纤维素素膜强度和韧性同时提高的原因所在。制备的超强纤维素膜具有各向异性的光散射特性,在可见光范围的光学透明度较高,在800 nm波长处的吸光度高达91%;40%预拉伸纤维素膜的雾度比原始纤维素膜提高了一倍。通过简单、环保的微纤维纤化处理和冷冻干燥技术,制备了一种超轻、高孔隙率、具有分级结构的纤维素气凝胶,其密度最低仅为0.0024 g cm-3,高孔隙率高达99.84%。采用气相沉积法对制备的纤维素气凝胶进行硅烷化疏水改性,制备了具有超疏水/超亲油的纤维素气凝胶超级吸油材料。疏水改性后的纤维素气凝在反复压缩30次后,高度仍可保留至原有高度的95%,显示优异的回弹性能。制备的纤维素气凝胶具有良好的油/水选择性,且对多种油和有机溶剂的吸油量为88-228 g g-1。此外,通过简单的机械挤压该吸油材料,可以实现油的快速回收以及吸油材料的迅速回用。循环使用30次时,其吸油能力仍高达137 g g-1,在油污处理领域具有巨大的应用前景。