【摘 要】
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随着时代的发展,人们对服装的保温功能要求越来越高,纺织品保温复合材料的研究也成为一种必然趋势。气凝胶是最优的保暖材料,早期的气凝胶易碎且生产成本过高。纳米纤维素气凝胶是第三代气凝胶,其原材料来源广,具有良好的生物可降解性,在保温隔热材料领域极具应用前景。然而,纳米纤维素气凝胶材料存在遇水易造成结构坍塌和受到外部挤压回弹性差等问题,限制其实际使用。为此,本课题采用甲基三乙氧基硅烷（MTES）和封端型
【基金项目】
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浙江理工大学优秀硕士学位论文培育基金（No.LW-YP2020034）；
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随着时代的发展,人们对服装的保温功能要求越来越高,纺织品保温复合材料的研究也成为一种必然趋势。气凝胶是最优的保暖材料,早期的气凝胶易碎且生产成本过高。纳米纤维素气凝胶是第三代气凝胶,其原材料来源广,具有良好的生物可降解性,在保温隔热材料领域极具应用前景。然而,纳米纤维素气凝胶材料存在遇水易造成结构坍塌和受到外部挤压回弹性差等问题,限制其实际使用。为此,本课题采用甲基三乙氧基硅烷（MTES）和封端型的水性聚氨酯（BWPU）分别对纳米纤维素气凝胶进行功能化的改性,在保留纳米纤维素气凝胶优异隔热性能的基础上,使其具有超疏水性和高弹性,解决了不同应用场景下纳米纤维素气凝胶多孔网络结构坍塌的问题,使其作为隔热保温材料有更广的应用范围。本论文的主要内容和结果如下:1.纳米纤维素气凝胶的制备及其隔热性能的研究。通过冷冻干燥制备了不同质量浓度的纳米纤维素气凝胶,探究了不同质量浓度的纳米纤维素气凝胶的物理特性和隔热性能,并探讨了纳米纤维素气凝胶作为隔热材料在不同应用场景下的隔热性能。结果表明,当纳米纤维素质量浓度从2.5wt%增加至4.5wt%时,气凝胶的密度随之增大(0.0198-0.0592 g·cm-3),孔隙率随之降低（98.73%-96.21%）,导热系数随之增加(0.03163-0.04324 W·m-1K-1)。纳米纤维素气凝胶在潮湿环境中无法保持原有的完整外观,微观孔结构遭到严重坍塌变形;纳米纤维素气凝胶在受到外力压缩时,呈现出不可逆的塌陷,孔结构变得致密,导热系数由0.03163W·m-1K-1增加至0.05462 W·m-1K-1。2.超疏水的纳米纤维素基气凝胶的制备及其隔热性能的研究。以甲基三乙氧基硅烷（MTES）为改性剂,通过简单的两步浸渍法制备了超疏水的纳米纤维素基气凝胶,解决了纳米纤维素气凝胶在潮湿环境中多孔网络结构塌陷的问题,探究了改性前后纳米纤维素气凝胶的隔热性能和微观结构的变化,以及在改性过程中机械性能的变化。结果表明,硅烷化的改性过程降低了纳米纤维素气凝胶的表面能,聚硅氧烷颗粒的成功引入又增加了纳米纤维素气凝胶表面的粗糙度,因此,制备的样品在保持原有的优异隔热性能(导热系数为0.03249 W·m-1K-1)的基础上,表现出超疏水性（水接触角高达155.2°）。改性后的纳米纤维素基气凝胶在暴露于潮湿环境中后,仍保持完整外观和优异隔热性能,导热系数基本保持恒定。Si-O-Si键的引入也提高了纳米纤维素气凝胶的机械性能,压缩模量得到提高。3.高弹性的纳米纤维素基气凝胶的制备及其隔热性能的研究。首次使用封端型的水性聚氨酯（BWPU）来增强纳米纤维素气凝胶的柔韧性,通过定向冷冻干燥,成功制备出了具有规整层状结构,高弹性、低导热系数的纳米纤维素-聚氨酯（CNF-WPU）气凝胶,解决了纳米纤维素气凝胶在存储和使用过程中受到外部挤压作用而造成孔结构坍塌的问题。所制备的CNF-WPU气凝胶具有良好的回弹性,其可逆压缩应变高达60%,并且在40%的压缩应变下进行10个循环,仍可以基本回复原状。CNF-WPU气凝胶在10次可逆压缩循环后仍保持其优异的隔热性能(导热系数为0.02755 W·m-1K-1)。该CNF-WPU气凝胶块体可以作为填料做成三明治隔热夹层,这种新型夹层有望取代羽绒、聚酯这种传统的保暖材料,有广泛的应用前景。本文采用甲基三乙氧基硅烷（MTES）和封端型的水性聚氨酯（BWPU）分别成功地改性了纳米纤维素气凝胶,在保留纳米纤维素气凝胶优异隔热性能的基础上,分别赋予其超疏水性和高弹性,解决了纳米纤维素气凝胶材料遇水结构坍塌和受到外部挤压易变形等问题,拓展了纳米纤维素气凝胶作为隔热保温材料的应用场景。
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