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纤维素气凝胶具有隔热性强、易降解和生物相容性好等优点,被广泛应用于冶金隔热保温、建筑节能等领域。研究表明,通过纤维素气凝胶和功能材料纳米TiO2的复合,还能获得优异的力学性能、光催化性能和阻燃性能。然而,纳米Ti02/纤维素气凝胶的可控制备工艺和内在作用机理仍不明确,限制了其在隔热保温节能领域的进一步发展和应用。本文基于第一性原理和热动力学理论设计井制备了线、片和颗粒状锐钛矿纳米TiO2/纤维素气凝胶复合材料,利用各种测试仪器详细地分析了复合材料的组织结构及力学、隔热等方面性能,细致探讨了该材料的光催化和阻燃机理,得到以下结论:(1)通过溶胶-凝胶工艺制备含不同质量分数纳米纤维素水凝胶,确定了超临界CO2干燥制备纤维素气凝胶的最佳工艺参数为温度40℃,压力12 MPa,时间120min。对不同质量分数纤维素气凝胶的组织结构和特性进行分析得到,随着纳米纤维素浓度的增加,气凝胶的孔径分布趋向均匀化,孔隙率提高,比表面积、密度和力学性能也随之增加,隔热性能更加优异。当纤维素气凝胶的浓度为3.5%时,超临界CO2干燥工艺下制备的纤维素气凝胶的收缩率和失重率均不再变化:其具有三维网络多孔结构,其平均孔径大小为19 nm,最大吸附量为432.43 cm3/g,比表面积为316.10 m2/g;其压缩强度和压缩模量分别为0.52 MPa 和 2.02 MPa。在25℃时,其导热率为 0.0333 W/(m·K)。(2)纳米TiO2/纤维素气凝胶相比纯纤维素气凝胶的比表面积,其总孔容和平均孔径增大,纤维素气凝胶的力学性能和隔热性能均有提升。纳米线、片、颗粒三种不同形貌TiO2复合效果中,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶能获得最大的比表面积,其平均孔径大小为26 nm,最大吸附量为466.41 cm3/g,比表面积为427.62 m2/g;其横向压缩强度为1.18 MPa,压缩模量为4.55Mpa;在25℃时,其导热率为0.0243 W/(m·K)。(3)纳米TiO2/纤维素气凝胶具有良好的光催化杀菌功能和降解甲醛功能。针对大肠杆菌、金色葡萄球菌、酵母菌和白色念珠菌,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶对这四种菌的杀菌性能最好,在光催化30min后,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶对大肠杆菌和金色葡萄球菌的杀菌率达到了 100%;在光催化100min后,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶对酵母菌和白色念珠菌的杀菌率达到了1.00%。纳米线、片、颗粒三种不同形貌TiO2复合效果中,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶的降解甲醛性能最优,在实验光催化120min后,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶对甲醛的降解率可达到83%.通过能带理论,进一步揭示了其光催化机理。(4)纳米线、片、颗粒三种不同形貌TiO2复合效果中,TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶具有最好的热稳定性能,其分解开始温度为332.2℃;防火等级评定中达到V-O,LOI>32%。TiO2纳米颗粒/纤维素气凝胶相对于纯纤维素气凝胶,其热释放峰值、总热释放量等参数均有明显下降。通过采用Kissinger和Ozawa-Flynn-Wall方法研究不同形貌TiO2/纤维素气凝胶热降解的热动力学过程,揭示了纳米TiO2/纤维素气凝胶的阻燃机理,确定了最佳的Ti02纳米颗粒复合浓度为1Owt.%。