纳米纤维素基仿生智能驱动材料设计

摘要

当前，以不可再生资源支撑的社会面临能源紧张、资源短缺、环境污染等瓶颈问题，亟待寻求绿色、环保、可再生的新材料以破解上述瓶颈问题。仿生智能驱动材料是受天然物质的结构特点和生物功能的理念启发，开发的可自动感应外界环境变化、并做出灵敏响应的新型驱动材料，具有智能节能的特点。它是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。纳米纤维素因其来源广泛、储量丰富、可再生、可降解、生物相容、高强度、高比表面积，富含官能团等优点，被视为最有发展潜力和开发价值的新兴纳米材料之一；将其设计构建成智能材料，对推动国民经济可持续发展具有重要的战略意义。 本研究受松果鳞片在自然条件下因不对称膨胀/收缩结构而引发的自动张开和闭合现象启发，从灌木紫穗槐枝条中获取具有纳米级精细结构、高长径比和高力学性能的纳米纤维素，并通过巧妙地官能团和层状成膜结构设计，仿生构建了具有单层结构、且湿度灵敏响应的仿生智能材料；在此基础上，以纳米纤维素层状膜为基层，在其上分别构建层状石墨烯层和醋酸纤维素层，进而设计构建了湿度驱动型多功能仿生智能材料和溶剂驱动型仿生智能材料；进一步对这些驱动材料设计用做智能织品和气体传感器进行成功的概念验证，为利用丰富的生物质资源设计智能材料提供了概念性的解决方案，对未来构建绿色、可持续发展的智能社会具有重要的战略意义。研究结果表明： (1)受大自然松果鳞片自动张开/闭合现象启发，采用TEMPO氧化法制备了高长径比（≥1000）的纳米纤维素，并以此为构筑单元成功设计了湿度响应灵敏（5s）、主动变形大（≥180°）、可逆循环次数高（10000次）的智能驱动材料。将这种湿度响应的驱动材料应用于智能衣服进行概念验证，不仅能够实现智能降温散湿的功能，又具有良好的透气性、透光率（91.7%）及力学强度，是构建智能衣服的理想材料之一。 (2)为进一步赋予纳米纤维素基智能驱动材料多功能特性，在纳米纤维素中掺杂纳米二氧化钛，为智能材料赋予了有效杀菌净化功能，可以在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌培养皿中，分别形成4mm和3mm的抑菌圈；在此基础上，复合层状石墨烯可以赋予智能材料导电发热和吸光产热功能，在4.5V电压下能够在120s时间内使智能驱动材料迅速升温近10℃，在光照条件下能够于30min内快速升温15℃；同时，智能驱动材料还具有灵敏的湿度响应性（8s）。相似的，将这种多功能智能驱动材料概念性地应用在智能衣服领域，既可以使衣服自动地祛热散湿，又能适时为人体供给能量和提供杀菌清洁皮肤的功效，为未来丝织物领域的个人热管理系统提供了概念性的解决方案。 (3)为设计多重刺激响应的智能材料，将纳米纤维素层状膜与醋酸纤维素膜复合构筑了溶剂响应的智能驱动材料，可实现对不同气体（丙酮、氨水、湿度等）的有效感应，响应幅度大（≥180°）、灵敏度高（3.5s）、稳定性好（120s弯曲度不变）；且溶剂浓度越高，响应越灵敏，弯曲度越大。可作气体传感器实时监控环境气体的安全性，为设计新型的气体传感器提供了概念验证。

目录

声明

符号说明

1前言

1.1研究背景

1.1.1纳米纤维素概述

1.1.2仿生智能驱动材料概述

1.2研究目的与意义

1.3研究思路与内容

2材料与方法

2.1湿度驱动型纳米纤维素智能材料设计

2.1.1实验设计

2.1.2实验材料与设备

2.1.3实验方法

2.2湿度驱动型多功能纳米纤维素基智能材料设计

2.2.1实验设计

2.2.2实验材料与设备

2.2.3实验方法

2.3溶剂驱动型纳米纤维素基智能材料设计

2.3.1实验设计

2.3.2实验材料与设备

2.3.3实验方法

3结果与分析

3.1湿度驱动型纳米纤维素智能材料设计

3.1.1微观形貌分析

3.1.2化学组分分析

3.1.3湿度驱动材料的驱动现象

3.1.4湿度驱动材料的性能分析

3.1.5智能衣服概念验证

3.2湿度驱动型多功能纳米纤维素基智能材料设计

3.2.1微观形貌分析

3.2.2化学组分分析

3.2.3多功能智能材料的驱动现象

3.2.4多功能智能材料的性能分析

3.2.5智能衣服概念验证

3.3溶剂驱动型纳米纤维素基智能材料设计

3.3.1微观形貌分析

3.3.2溶剂驱动材料的驱动现象

3.3.3溶剂驱动材料的性能分析

3.3.4气体传感器概念验证

4讨论

4.1湿度驱动型纳米纤维素智能材料设计

4.2湿度驱动型多功能纳米纤维素基智能材料设计

4.3溶剂驱动型纳米纤维素基智能材料设计

5结论

5.1结论

5.2创新点

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况