各向异性纳米纤维素基水凝胶的制备及应用进展

纳米纤维素是天然一维纳米材料,具有高长径比、机械性能优良、独特的双折射效应等性质。基于纳米纤维素开发制备的各向异性水凝胶材料,表现出与皮肤、肌肉和软骨等天然组织相似的力学、光学、传质等性质的各向异性,在仿生工程、生物医学工程等领域具有优异的应用前景。围绕如何有效地利用纳米纤维素的自身结构特点开发高强度、功能性纳米纤维素基水凝胶,从制备方法、性质特征和应用3个角度,综述了近年来各向异性纳米纤维素基水凝胶的研究进展：系统总结了各向异性纳米纤维素基水凝胶材料自下而上和自上而下2种制备方法;重点阐述了其极高的力学强度、独特的双折射性质、可控的传质途径、各向异性导电、各向异性导热等优异特性;详细介绍了其在机械、显示、传感与生物医学等领域的应用情况。最后,根据各向异性纳米纤维素基水凝胶的研究进展,提出其探索低成本、简便的新型制备方法,提升其多功能性与构建其可预测的本构模型仍是各向异性纳米纤维素基水凝胶未来研究的重点。     

纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料研究进展

利用木材等生物质资源制备的纳米纤维素,因其独特的纳米结构和性能优势在诸多领域广泛应用。纳米纤维素具有精细的尺寸,且表面含有大量的羟基,其组装制备的材料可以拦截微纳尺寸的颗粒,纳米纤维素间的孔隙有利于水分和其他类型的亲水性液体的快速流动通过。开发纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料,不仅有利于环境净化、回收昂贵的微纳颗粒,而且为纳米纤维素基材料的提质增效提供新的研究思路。本文综述纳米纤维素基微纳颗粒过滤材料的开发与应用研究进展。介绍纳米纤维素的类型、制备方法以及结构特征,总结利用纳米纤维素为基本单元来构筑纳米纤维素/电纺纤维复合材料、纤维素纳米纸和纳米纤维素凝胶薄膜的方法,阐述利用不同类型的纳米纤维素基过滤材料分离不同类型微纳颗粒的过滤效果,并对此领域研究面临的问题以及未来重点研究方向进行展望分析。     

纳米纤维素的制备及应用研究进展

纳米纤维素作为纤维素基纳米材料的代表,不但保留了天然纤维素的性质,同时赋予纳米粒子以高强度、高结晶性、高比表面积、高抗张强度等特性,能够明显改善材料的光、电、磁等性能,在复合材料、精细化工、医药载体、药物缓释等领域具有广阔的应用前景。进一步对纳米纤维素的结构进行调控,在纳米尺度操控纤维素超分子聚集体,进行结构设计并组装出稳定的功能性纤维素基纳米材料,即可以纤维素为原料构建具有优异性能的生物质材料,这也正是目前生物质材料和纤维素科学领域的研究热点。概括了目前纳米纤维素的主要制备方法:机械法、化学法和生物法,并对各种制备方法的优缺点进行了讨论,同时综述了纳米纤维素的应用状况,指出了纳米纤维素的制备及应用方面需要解决的主要问题及今后的发展方向。     

纳米纤维素储能研究进展

纳米纤维素是一种来源于植(动)物或微生物的天然绿色纳米材料,拥有高表面化学活性、独特的网络结构、优异的力学强度和高比表面积等优良特性。通过层层自组装、原位化学聚合和电化学沉积等方式,纳米纤维素可与金属氧化物、导电聚合物和二维纳米材料等多种纳米粒子高效复合,形成不同微观尺寸和结构特性的纳米纤维素基多孔膜材料和导电复合材料,在金属离子电池、超级电容器等储能器件用隔膜和电极材料领域具有广阔的应用前景。根据材料来源、制备方法和纤维形态的差异,纳米纤维素可分为纤维素纳米晶体、纤维素纳米纤丝、细菌合成纳米纤维和静电纺丝纳米纤维4大类,目前用于储能材料的主要是前3类。这些纳米纤维素常与水混合成胶体状态,失水后借助氢键自组装(织)形成力学性能和热稳定性优异的薄膜,在电解质溶液中具有良好的保湿能力,易于离子和电子传输,是储能器件隔膜材料的理想选择。纳米纤维素丰富的活性基团、独特的网络结构和易于成膜的特性,可作为骨架材料与其他导电活性成分(主要包括碳纳米材料、金属氧化物和导电聚合物)复合制备储能用电极材料。纳米纤维素也可以直接炭化用于电极材料,其储能性能与石墨化程度密切相关,常通过掺杂改性、多元复合等方式提高储能效率和性能。现阶段纳米纤维素基电极材料有主要碳纤维材料、二维纳米材料、导电高分子材料和多元复合材料,尽管具有无可比拟的性能优势和乐观的应用前景,但纳米纤维素与电极活性材料之间的复合方式、界面相容性以及微观形貌调控等研究尚处于起步阶段,如何最大限度发挥纳米纤维素的尺寸效应和网络结构,构建具有更加精细的纳米体系及高转化效率的储能器件是下一步需要攻克的主要难题。本文在简要介绍纳米纤维素分类和性能的基础上,详细阐述其在储能器件隔膜材料和新型电极材料领域的研究现状,并进一步对纳米纤维素在该领域的发展趋势进行展望。     

生物质纤维素基碳气凝胶材料研究进展

作为一种新型轻质多孔的功能性气凝胶,生物质纤维素基碳气凝胶具有独特的各向同性三维网络层级结构,该结构使生物质纤维素基碳气凝胶兼具气凝胶的高比表面积、高孔隙率、低密度以及碳材料的耐热性、导电性和生物质材料的可降解性、生物相容性,是近年来纳米功能性材料领域的研究热点之一。生物质纤维素基碳气凝胶原材料来源广泛,包括木材、竹材、果蔬等植物及其加工物、海洋生物和细菌等。基于原料形态不同,本研究将生物质纤维素基碳气凝胶的制备方法归结为凝胶炭化法和生物质直接炭化法,并详细介绍2种方法的制备工艺。基于生物质纤维素基碳气凝胶独特的层级孔状结构,本研究概述碳气凝胶的轻质多孔、疏水性、稳定性和导电性以及生物质纤维素基碳气凝的金属掺杂和杂原子掺杂改性,这些优异的材料特性使其在隔热、电化学、吸附等领域有着广泛应用,并有望渗透到药物缓释、抗菌材料、组织工程和电磁屏蔽等更多的前瞻性新兴材料领域。围绕生物质纤维素基碳气凝胶的功能化制备、性能表征和应用,创新性的研究理论和研究方法正在不断涌现,本研究在深入分析研究现状的基础上,展望生物质纤维素基碳气凝胶未来的研究方向和发展前景。生物质纤维素基碳气凝胶作为一种新型绿色材料,以其独特的热学、电学、光学及力学性能,可为生物质的高值化、功能化应用提供更多的研究思路,具有更加广泛的应用前景。     

基于自组装技术的纳米纤维素基功能材料研究进展

层层自组装技术,具有原理简单、易于操作、可调控纳米尺度上组装物质的形貌等优点,在多种制备纳米纤维素基复合功能材料的方法中脱颖而出。基于此原理,以纳米纤维素作为研究对象,按其在复合功能材料中承担的不同角色,详细阐述纳米纤维素基功能复合材料的制备过程、结构特征和功能特性,并提出了层层自组装技术在纳米纤维素基功能复合材料制备中进一步的研究方向。     

纳米纤维素在纸基功能材料中的应用进展

介绍了纳米纤维素的分类及性质,纳米纤维素分为纳米纤维素晶体(NCC)、微纤化纤维素(MFC)和细菌纳米纤维素(BNC)。NCC呈棒状晶须结构,结晶度高且具有高的力学性能;MFC呈纤丝状,具有宽的尺寸范围和更大的长径比,比表面积大,成氢键能力强;BNC呈超细网络状纤维结构,化学纯度和聚合度高,保水能力强。综述了纳米纤维素在纸基增强材料、纸基抗菌材料、纸基过滤材料、纸基导电材料、纸基发光材料、纸基绝缘材料、纸基疏水材料和纸基传感器材料领域的应用现状,并对其在纸基功能材料未来发展方向进行了展望。     

纳米纤维素基紫外屏蔽膜材料的研究进展

纳米纤维素是一种高透明度、高机械强度的材料，使用不同的方法如真空过滤法、溶液浇铸法等可将其制备成膜材料。通过对纳米纤维素进行改性或添加紫外屏蔽剂可以提高膜材料的紫外屏蔽性能，实现其在光敏材料覆膜、食品包装、紫外防护等领域的应用价值。首先介绍了紫外屏蔽剂作用机制，重点综述了改性纳米纤维素、纳米纤维素/无机氧化物、纳米纤维素/木质素及其他复合紫外屏蔽膜材料的研究进展，最后总结并展望了纳米纤维素基紫外屏蔽膜材料制备及应用所面临的机遇和挑战。     

纤维素基复合材料及其在医用方面的研究进展

以纤维素为基体制备的功能复合材料,可赋予纤维素光、电、磁以及催化等性能,在制浆造纸、精细化工、组织工程、生物医药等领域具有广阔的应用前景。纤维素基生物医用复合材料是纤维素功能复合材料的典型代表,它结合了生物质材料和生物材料的优点,在骨修复替代、组织工程、药物缓释、基因载体以及蛋白质吸附等领域具有潜在的应用价值,是当前生物质领域的研究热点。综述了目前制备复合材料常用的3种方法,即水热(溶剂热)法、微波辅助法和超声波法,并对这几种方法的特点进行了分析;同时对纤维素功能复合材料发展现状进行了概述,系统介绍了纤维素/羟基磷灰石、纤维素/碳酸钙以及纤维素/银等生物医用复合材料的研究进展。最后,结合笔者自身的研究经历,探讨了纤维素基生物医用复合材料开发过程中存在的问题以及今后的发展方向。     

纤维素基电极材料在柔性超级电容器中 的应用研究进展

纤维素是自然界中一种轻质、生物相容性好以及柔韧性强的生物高分子材料,在柔性超级电容器、生物传感器以及电磁屏蔽等领域得到了广泛应用。在柔性超级电容器领域中,纤维素基材料的多羟基结构是电解质离子传导的良好介质,有助于提高电极材料的电容特性以及循环特性,并且易与导电活性材料(如:石墨烯、碳纳米管、导电高分子)通过涂布、共混、层层自组装以及原位聚合等方法构建导电框架以制备柔性电极材料。综述了基于纤维素材料的柔性超级电容器电极开发的相关研究,重点介绍了基于不同纤维素基原料(原生纤维素、纳米纤维素以及纤维素衍生物)制备柔性超级电容器电极的方法以及所得电极的电化学性质,分析归纳了纤维素基材料在柔性电极中的主要作用:作为骨架支撑柔性电极材料、充当柔性基底(可兼有隔膜作用)、形成多孔结构传输电解质离子。最后,对纤维素材料在柔性电极材料领域的发展趋势进行了展望。     

生物质基炭气凝胶炭基前驱体的研究进展

综述了以糖类、含酚类生物小分子及其他生物质为炭基前驱体制备生物质基炭气凝胶的研究进展,重点介绍了纤维素基、壳聚糖基、木质素基和单宁基炭气凝胶的制备工艺、产品性能及其在催化剂载体、超级电容器、吸附剂以及隔热阻燃材料等领域的应用情况,并对未来生物质基炭气凝胶工业化发展的研究重点和方向进行了展望。     

生物质基光学材料研究进展

近年来由于不可再生资源的日益枯竭,以及全球能源危机等问题,生物质资源的研究和利用受到人们的广泛关注。以往材料的制备与合成往往以石油及其衍生物为原料,过程繁琐、成本高昂、原料不可再生,且对生态环境造成了不可逆转的破坏,而生物质基材料因绿色、可再生、环境友好等,其设计与构筑已成为基础科技研究的前沿与热点。在过去的研究中,国内外学者以相关生物质为基础构筑“基石”,利用其本征结构及特性原位合成或与异质单元复合,构筑了大量的功能光学材料。功能光学材料的应用领域包括但不限于催化、光动能转换、生物成像、光电器件、海水淡化、信息防伪等。笔者对生物质基光学功能性材料方面的代表性成果进行梳理与总结,主要包括林木芳香生物质荧光材料、多糖生物质荧光材料、林木生物质光热材料、纳米纤维素光子晶体材料、生物质基光热材料,以及以上材料在食品检测、生物成像、加密打印、发光器件、光 热 动能转换领域中的应用,并且对该领域内存在的问题及未来发展方向作了展望。     

生物质碳/MnO_2复合电极材料及其在超级电容器中的应用进展

近年来,生物质碳材料由于来源广泛、化学稳定性好、比表面积高、环境友好等优点已成为备受关注的电极材料,在能源转化和能量储存领域显示出巨大的应用潜力。但是生物质碳材料的理论比电容有限,且分散性差、机械脆性等缺陷也阻碍了其性能的完全实现,进一步影响了实际比电容。当其用于超级电容器时,受低能的静电作用力驱使,生物质碳材料基超级电容器的能量密度往往较低。将赝电容活性材料MnO_2沉积在生物质碳材料基质上,利用生物质碳材料与MnO_2的协同效应,可获得电导率、循环稳定性和电化学性能优异的复合材料。在介绍MnO_2结构和性质的基础上,对生物质碳材料/MnO_2复合电极材料的制备方法展开综合述评。此外,还总结了生物质碳材料/MnO_2复合物作为电极材料在超级电容器上的研究进展,并指出了其在应用过程中存在的问题。最后,就生物质碳材料/MnO_2复合物在高性能和柔性超级电容器未来应用方面进行分析,认为对生物质碳材料基底的改性、MnO_2纳米结构的调控和超级电容器结构的设计优化将是今后的重点研究方向。     

纤维改性提高纤维素纸基摩擦纳米发电机的输出性能北大核心

以纤维素纸为基底或电正性摩擦材料的摩擦纳米发电机在柔性电子器件具有潜在应用前景,然而纤维素纸基摩擦纳米发电机需要在高工作频率下才能获得良好的输出性能,限制了纤维素纸基摩擦纳米发电机的应用与发展。为提高纤维素的电正性摩擦性能,将银纳米颗粒原位负载于纤维素纤维表面,制备纳米银复合纸(Ag@paper),并以Ag@paper与聚四氟乙烯薄膜(PTFE)为摩擦材料构建纸基摩擦纳米发电机(P-TENG)。结果表明:P-TENG开路电压可达95 V,短路电流可达0.19μA。该P-TENG在长期工作过程中还能防止细菌生长,因而可用于开发新型可穿戴电子产品。     

纤维素非均相ATRP接枝聚合的研究进展

综述了近十年来ATRP法非均相接枝改性制备纤维素基功能材料的研究进展,重点描述了抗菌材料、超疏水材料、智能响应材料、生物相容性材料、吸附剂材料、增强复合材料等新型纤维素基功能材料的ATRP制备过程、新性能及在不同领域的应用,并分析了纤维素非均相ATRP接枝聚合中存在的问题及今后的发展前景。     

纳米纤维素基水凝胶的制备及其在生物医学领域的应用进展

纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystals,CNCs)和纤维素纳米纤维(cellulose nanofibrils,CNFs)具有独特的理化性质,例如,比表面积高(100 m2/g)、机械性能优越(弹性模量130～150 GPa)、密度低(低至1.6 g/cm3)、膨胀系数小(低至0.1×10-6/K)、生物相容性好、表面多羟基结构容易进一步修饰等,且原料易得、可再生和生物降解,是理想的先进功能材料构建砌块,已被证明是具有良好应用前景的生物基纳米材料。近年来,纳米纤维素基水凝胶引起了大量的关注,并且其在生物医学领域的应用得到了广泛研究。笔者主要综述了CNCs和CNFs基水凝胶的制备及其在生物医学应用的研究进展。首先介绍了制备CNCs基水凝胶的物理交联法和化学交联法,以及CNFs与金属离子交联、CNFs与聚合物交联两种制备CNFs基水凝胶的方法;其次重点介绍了CNCs和CNFs基水凝胶在药物递送、创伤敷料和组织工程支架中的应用;最后总结了CNCs和CNFs基水凝胶在生物医学领域的应用前景和面临挑战,并指明了CNCs和CNFs基水凝胶在生物医学领域研究的发展方向。     

纤维素基水油分离材料的研究现状

随着全球经济的快速发展,大量油性废水从人们的日常生活和工业中被排放出来,泄油事件也频繁发生,已造成严重的环境问题,因此油水分离材料的研究受到越来越多的关注。纤维素具有很好的生物降解性、生物相容性和力学性能,将纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶、微晶纤维素等不同形态的纤维素通过功能化修饰后可以制备出具有优异水油分离效果的纤维素气凝胶、水油分离膜或改性纤维素滤纸;而直接对木材或棉纤维进行脱木素处理也可以得到高吸油性的水油分离材料。纤维素基水油分离材料不仅疏水性好且吸油倍率高,还具有可循环使用以及无二次污染等诸多优点。笔者介绍了近年来以天然生物质中的纤维素为基材构建各类水油分离材料的研究现状,并对不同类型水油分离材料的吸油疏水特性进行阐述,还对制备工艺过程中存在的问题以及未来的研究发展方向进行了展望。以天然纤维素为基体材料制备绿色环保功能型水油分离材料对于可持续发展具有重要的意义,而探索出更加绿色环保、制备工艺简单、低成本,且加工剩余物对环境不会造成二次污染的制备方法,并提高纤维素基水油分离材料的机械性能和重复使用性等是今后研究的重点。     

低共熔溶剂在木质纤维类生物质研究中的应用

低共熔溶剂(DESs)是一种新型绿色溶剂,具有蒸汽压低、合成过程简单、价格低廉、无毒、可生物降解等优点,被认为是最有发展潜力的生物质预处理试剂之一,在木质纤维类生物质领域中的研究应用逐年增加。综述了DESs在木质素、纤维素和半纤维素的溶解、改性以及利用等相关方面的研究进展,分析了DESs氢键供体和氢键受体种类、摩尔比、浓度、处理温度等条件对三大素溶解性能的影响,以及三大素在DESs中酯化、活化和降解等的研究现状。介绍了DESs预处理稻壳、玉米芯、农作物秸秆、木材等木质纤维类原料的研究现状,利用DESs预处理木质纤维类生物质主要是提取并获得高纯木质素组分,同时提高富纤维物质的葡萄糖得率和木糖得率,对DESs预处理木质纤维类生物质的机理进行了分析。重点介绍了利用DESs预处理纸浆等木质纤维类生物质制备纳米纤维素的研究进展。最后,提出了DESs在木质纤维类生物质领域研究的发展方向,以期为DESs应用于木质纤维类生物质资源化利用提供依据和参考。     

纳米纤维素晶须的制备及应用的研究进展

综述了以天然纤维素为原料制备纳米纤维素晶须,及对其进行表面改性的方法和纳米纤维素晶须应用于精细化工等领域中的研究现状和发展概况。主要介绍了纤维素水解工艺的研究、纳米纤维素晶须的制备方法及工艺、产品结构及性质的表征、纳米纤维素晶须的改性方法及其在精细化工产品、材料学等领域的应用现状。     

竹纳米纤维素膜制备、表征及其性能研究

为制备力学性能优良、透光性能好以及阻隔性能较佳的可再生生物质基膜材料,以漂白硫酸盐竹浆纤维(BP)为原料,先制备竹纳米纤维素(B-CNF),再通过高碘酸钠氧化改性的方法对竹纤维中纤维素的分子结构进行调控,制备了以竹材为基质的竹纳米纤维素膜材料。当NaIO₄氧化处理0.5、 1.5、 3 h时,所得氧化竹纳米纤维素分别标记为OB-CNF-0.5、OB-CNF-1.5和OB-CNF-3,对应制备的膜材料分别标记为OBF-0.5、OBF-1.5和OBF-3,B-CNF制备的膜材料为BF。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等方法对膜材料进行了表征,并测试了其力学性能、透光性能、水蒸气和氧气阻隔性能。结果表明：高碘酸盐氧化可成功地在竹纤维的纤维素分子长链中引入醛基,随着NaIO₄氧化时间延长至3.0 h,竹纳米纤维素中含醛基量增加至1.23 mmol/g;与BF相比,随着氧化时间的延长,竹纳米纤维素基膜材料会逐渐出现分层结构,在波长为600 nm处的透光率从82.24%增加至97.49%,水蒸气透过量(W...