在可持续发展战略已成为全球性共识的背景下,合理开发和利用自然界可再生生物资源日益受到人类的关注。甲壳素是地球上第二大生物资源,大量存在于虾蟹的外壳中,然而大部分的甲壳素被当做工业垃圾(废弃虾蟹壳)丢弃,不仅对人类赖以生存的自然环境造成重大的负担,同时也耗费了大量宝贵的自然资源。生物质纳米纤维是由直径在纳米尺度的纳米纤维构成,如果将甲壳素进行充分的“解纤”,则能利用其高长径比、高比表面积、纳米网状结构、高强度、良好的热稳定性等结构性能特点,开发以纳米纤维为基材的生物质材料,具备满足人们对新材料环保型和生物相容性的需求。尤其是生物质水凝胶,作为一类独特的“软”材料,在具备传统性能的同时又融入了“甲壳素纳米纤维”的优越性,如良好的机械性能和可降解性,有望成为具有广阔发展前景的天然高分子材料。本工作的主要创新点包括：1.通过简单的“机械法一次研磨”对甲壳素进行“解纤”处理,制备尺寸均一、高长径比的甲壳素纳米纤维及其膜材料；2.晶型的甲壳素的溶解始终是一研究难点,本文在低温碱液条件下,通过避免甲壳素溶解的方式,构建基于α晶型的甲壳素纳米纤维基水凝胶,该水凝胶能够保持其原有的纳米纤维网状结构,同时具备高结晶度及优良的力学性能等特征；3.作为更进一步的研究,寻找到一种更为温和的饱和氯化钙溶剂体系,在室温条件下即可制备高强度甲壳素纳米纤维基水凝胶；4.将上述高强度甲壳素纳米纤维基水凝胶的纳米网状结构贯穿于导电活性物质多壁碳纳米管中,制备具有良好导电性能的生物基电极／导电复合材料。具体研究内容及结论包括以下几个部分：1.甲壳素纳米纤维及其膜材料简易制备方法通过观察提纯前后蟹壳宏微观结构的变化可知甲壳素在蟹壳中是以“粗纤维束”状的骨架结构形式存在。本文采用简单的“一次研磨法”将粗甲壳素纤维束进行分离,得到直径约50 nm的甲壳素纳米纤维；进一步超声离心处理能将纤维直径细化至10-20 nm。性能测试分析表明：机械研磨处理仅改变了纯化甲壳素的形态及结构特征,其化学组分及官能团的特征并未发生变化；离心后的样品膜由于“开纤化”程度较高,表现出较高的透光率性能,600 nm波长处的透光率达86%；不论是研磨膜还是离心膜,其拉伸强度均十分优异(最高可达160 MPa)。在这种纳米纤维膜的制备过程中,并未使用任何特殊的化学试剂,因此保留了甲壳素的天然特性,是一种绿色环保的天然纳米材料。2.制备高强度甲壳素纳米纤维基水凝胶本工作提出一种在低温碱液处理的条件下,将甲壳素粉末及甲壳素纳米纤维溶解于20 wt%的氢氧化钠溶液中的方法。经溶解再生所得的水凝胶由于其原有的规整的结晶结构被破坏,因此表现为较低的结晶度且不能够保持其原有的纳米网络结构。然而,如果在此实验中将冰乙醇被应用于中和处理的初期阶段,则能够有效地避免甲壳素在碱液中溶解。与传统的再生水凝胶相比,通过“避免溶解”制备获得的甲壳素纳米纤维基水凝胶具有高强度、高结晶度,且能够保持其原有的纳米网状结构的特性。其凝胶化作用的机理源于纤维与纤维之间发生的“并指连接”作用。这种以甲壳素纳米纤维为基材的水凝胶的制备方法具有一定的创新性,有望作为绿色、环保、高强度的纳米网状结构基材应用于生物基复合材料领域。3.寻找到一种温和的方法制备高强度甲壳素纳米纤维基水凝胶作为进一步的改进研究,发现甲壳素粉末及甲壳素纳米纤维均能够通过饱和氯化钙溶剂体系处理来制备水凝胶。相比碱液法,这种溶剂体系更为温和,室温条件下即可进行。而是否含有水分子是此溶剂使用的重要因素。研究结果表明不论是含水纤维膜(WCNF)还是脱水纤维膜(MCNF)均能通过此溶剂体系制备甲壳素纳米纤维基水凝胶,相比“低温碱液条件”来说,此方法节约能耗,更为温和。表征结果分析可得,相比MCNF基水凝胶,WCNF水凝胶由于能够保持其原有的纤维网络结构以及断面层状结构,因此表现出高结晶度以及良好的力学性能(拉伸强度约1.3 MPa)。这种使用饱和氯化钙溶剂直接制备甲壳素纳米纤维基水凝胶的方法较为简便,制备过程中未使用任何特殊的化学试剂或是交联剂,且常温下即可进行。4.利用甲壳素纳米纤维基水凝胶网络结构制备复合导电材料高强度纳米纤维基水凝胶具有独特的三维纳米网状结构,是一种理想的生物质基材。作为一种基材的应用,本工作首先通过真空抽滤使得甲壳素纳米纤维与多壁碳纳米管构成三维网络互穿结构的导电复合膜材料。再利用低温碱液法对复合膜进行凝胶化处理来进-步改善其导电性能。性能表征结果显示：多壁碳纳米管与纳米纤维相互贯穿的网络结构能为复合材料提供有效的电子传输的路径。导电性能测试显示ChNF/MWCNT凝胶膜表现出比ChNF/MWCNT复合膜高达2倍的导电率。此外,ChNF/MWCNT凝胶膜在5mV/s的扫描速率下的质量比电容约50.2 F/g,几乎是未凝胶化处理样品的2倍,1000次循环后,仍能保持起始电容的112%。因此,本工作中,作者合理的将高强度的甲壳素纳米纤维基水凝胶应用于导电、能量存储复合材料中,制备除了一种具有高导电率的柔性可折叠的ChNF/MWCNT纳米复合材料。作者希望这种独特的凝胶化处理方式构成的生物质纳米网状结构能够有更多更广泛的应用。