基于化学交联构筑多功能纤维素基多孔材料及其应用

摘要

纤维素基多孔材料已在众多领域有着广泛的研究与应用。然而纯的纤维素基多孔材料具有机械性能差，易在水中解体及再分散和表面的功能性基团数量有限等缺点，极大地限制了其应用范围。本论文从提高纤维素基多孔材料的机械性能入手，首先通过化学交联增强纤维素基多孔材料的机械性能。同时在材料内引入大量的氨基基团，并探索了该材料在不同领域的应用。最后利用相同的化学交联机理，制备出纤维素-壳聚糖复合多孔材料，并将其用于止血敷料。 首先利用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)和聚乙烯亚胺与纤维素之间的反应对纤维素基多孔材料进行了化学交联增强。利用红外光谱、元素分析和固体核磁证明了三者之间发生了相应的化学反应。由能谱分析可知，GPTMS和聚乙烯亚胺在材料中均匀分布。扫描电子显微镜图片显示该材料内部结构为薄片组成的均匀层状结构。由于层状结构的形成，多孔材料的比表面积有所下降。该材料在50%应变的条件下，形状回复最大为93%，这是其层状结构的支持作用和交联程度的提高所致。聚乙烯亚胺的引入不仅增强了机械性能和柔性，也为材料后续应用引入了大量的氨基基团。基于这些氨基，进一步开发了增强后的多孔材料在重金属吸附和热电材料领域的应用。 聚乙烯亚胺含有大量的氨基，与水中的铜离子具有很好的络合作用，因此将增强后的多孔材料用于去除水体中的铜离子且具有较强的铜离子吸附性能。经实验证明，该吸附剂在铜离子溶液中的最优的吸附pH值为5，饱和吸附量随着初始浓度的升高而增加。吸附动力学拟合显示该吸附剂对铜离子的吸附属于准二级吸附模型，即化学吸附。同时，吸附等温线模型拟合显示该吸附剂对铜离子的吸附符合Langmuir模型，为单分子层吸附。由Langmuir模型计算的最大吸附量为138 mg/g，接近实际实验的最大吸附量。四次循环吸附-脱附后，该吸附剂仍能保持较高的吸附能力(75%)和稳定性(15 天)，且在混合离子体系中对铜离子具有一定的选择吸附性。 接下来利用增强后的纤维素基多孔材料负载导电聚合物PEDOT:PSS，制备得到的纤维素基热电多孔材料具有较好的压力感应性能和柔性。3次压缩-释放循环后，电阻的循环趋势没有明显的变化。并利用层层组装方法进一步提高材料的电导率，三次组装后，材料的电导率从2 mS/cm提高至6.7 mS/cm。将制备得到的多孔热电材料组装为简易的热电装置，在人体前臂(307 K)与环境(291 K)温差为16 K时的输出电压为 0.3 mV。这种具有自供能特性的压力感应器有望应用于人工智能产品或远程医疗监护。 伤口渗出液吸收和凝血是促进糖尿病人伤口愈合的关键。最后一部分中，借鉴GPTMS和聚乙烯亚胺化学交联增强纤维素基多孔材料的策略，以GPTMS为交联剂制备了纤维素-壳聚糖复合多孔材料，并探究了其在医用止血敷料领域的潜在应用价值。通过调节壳聚糖的含量，可以制备孔结构可控的纤维素-壳聚糖复合多孔材料，随着壳聚糖含量的增加整体结构趋于规整。作为伤口敷料，本文表征了材料的物理性能、细胞毒性和血液相容性，结果显示该材料无细胞毒性，且能够很好地促进止血。结合材料的多孔结构，能够更好地满足透气性、伤口渗出液吸附及凝血性能的需求。同时，化学交联后的材料在应变50%时能回复原厚度的95%，且在10次循环后其微观结构和机械性能无明显变化。因此该材料在糖尿病人的伤口敷料方面有着潜在的应用。

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