纤维素基气凝胶不仅具备纤维素基材料可再生、无毒、环境友好、可生物降解、易于功能化的优点,同时兼具气凝胶的多种独特性能,如低密度、高孔隙率、低导热系数和高比表面积。因此,纤维素基气凝胶在隔热保温、过滤、油水分离、催化、医药等领域具有巨大的应用潜力。为了拓展纤维素基气凝胶的应用,本论文开展的研究内容和结论包括以下三个方面。首先,使用NaOH/urea/H2O体系为分散剂、乙醇为反溶剂,结合冷冻干燥技术,成功制备了低密度(44.99 kg/m3)、高孔隙率(97.01%)的纤维素气凝胶。使用这种方法制备的纤维素气凝胶是由直径约为20 μm的纤维素纤维相互缠绕、互相支撑而成的大孔材料。形成纤维素水凝胶的机理如下:氢氧化钠破坏纤维素分子间氢键,使纤维素分子分散;脲通过分子间氢键与纤维素分子上的羟基连接,将纤维素分子包裹起来,阻止了纤维素分子的聚集;乙醇的加入不仅降低了氢氧化钠的浓度,还彻底破坏了脲对纤维素的包裹,使得纤维素分子通过氢键得以重新聚集,并形成了稳定的网络结构。其次,初步探索了制备金属离子掺杂纤维素基气凝胶的方法,并对其结合方式和机理、掺杂后的气凝胶结构和性能进行了探讨。通过渗析法和离子缓释法制备的铜离子掺杂羧甲基纤维素气凝胶中,羧甲基纤维素分子结构的变化相同,铜离子与羧甲基纤维素上羧酸根的结合方式是单齿配位;羧甲基纤维素结晶结构的变化相同,羧甲基纤维素的结晶度显著降低,特征峰强度降低甚至消失。与渗析法相比,离子缓释法的优势在于能通过该方法制备结构均匀的羧甲基纤维素气凝胶。在铝离子掺杂羧甲基纤维素气凝胶中,铝离子均匀地分布在其中,并以双齿桥接的方式与羧甲基纤维素上羧甲基紧密结合;铝离子的掺杂在使材料的热稳定性明显降低的同时,使羧甲基纤维素气凝胶具备了良好的承重能力、难燃性和一定的吸附能力。最后,初步探索了纤维素气凝胶的水热碳化工艺。当水热碳化的时间足够长、水热碳化的温度足够高时,纤维素气凝胶开始发生碳化,纤维素的结晶结构遭到破坏,生成形貌为微球形的固体产物,其孔隙结构也随之变得更加复杂。当水热碳化的时间为6 h时,纤维素气凝胶开始发生碳化的温度为220 ℃,并且水热碳化的温度越高,样品的碳化程度越大;当水热碳化温度为220℃时,水热碳化的时间越长,样品的碳化程度越大,其固体产物的生长越完整。