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新材料技术

西安交通大学刘茂昌课题组开展生物基纤维规模化制备关键技术的攻关研究，同时进行生物基纤维衍生产品的开发。根据生物基纤维素微观构造、聚集态结构以及纤维素分子链结构特点，获得了生物基纤维规模化制备关键技术。以生物基纤维为基本构筑单元，通过与不同的活性单元复合以及构筑方式可以聚集组装成一系列具有独特结构与性能的材料。实现指标：研发了一种新型纤维素制备技术——碱性条件过氧化氢法，搭建规模化制备生物基纤维装置，实现了生物基纤维的规模化高效剥离，能够大规模的生产纤维素并且在生产过程中绿色无毒。以生物质材料为原料制备性能和价格都占优势的木质纤维素纳米纤维，在木质纤维素纳米纤维成功提取的基础上整合生物基纤维与多种活性单元制备泡沫材料以及薄膜材料。通过引入活性单元及层级结构设计，实现生物基纤维泡沫材料和集成多种功能，生物基薄膜材料性能多样化。

本项目实现了生物基纤维规模化制备，实现生产过程绿色无毒，同时创制多功能生物基纤维衍生产品。 1.生物基纤维规模化制备的开发与优化：研发了碱性条件过氧化氢法制备纤维素，搭建规模化制备生物基纤维装置，实现纤维素规模化高效剥离且绿色无毒生产。利用过氧乙酸对生物质原材料进行预处理，分解木质素的结构，然后用氢氧化钠调节过氧化氢溶液pH值，过氧化氢在碱性介质中脱除木质素、漂白纤维，作为大分子半纤维素温和的增溶剂，实现纤维素与半纤维素、木质素的高效解离。 2.研发新型生物质基泡沫材料：生物基纤维素可以作为基本构筑单元构筑泡沫、薄膜材料，通过与不同的活性单元复合以及构筑方式可以聚集组装成一系列具有独特结构与性能的宏观体材料，并且可以在构筑过程中赋予生物质基泡沫材料多种功能。 将生物基纤维与活性单元复合，开发生物基纤维衍生产品吸湿性能、电化学性能与力学性能等，衍生泡沫材料可应用于大气集水、空气除湿等场合；与壳聚糖等生物聚合物基体物质协同整合，通过冰模板法构筑具有定向排列孔道的复合泡沫；通过真空抽滤等方法将生物基纤维制备成纳米纤维素纸或纳米纤维素凝胶薄膜，可应用于可降解塑料袋、农业地膜、食品包装等。

本项目负责人为西安交通大学能源与动力工程学院刘茂昌，核心团队为刘茂昌教授团队和东北林业大学材料科学与工程学院陈文帅教授团队。 刘茂昌，西安交通大学教授，教育部青年长江学者，一直致力于可持续性有机、无机纳米新材料的低成本规模制备及其在能源、化工等行业应用的研究。主要负责项目理论分析、设备及产品研发。 陈文帅，东北林业大学教授，教育部青年长江学者、国家优青、霍英东优秀青年教师基金获得者。主要负责木质纤维素纳米纤维提取技术研发和工艺改良工作。 团队一直从事生物基纤维制备及衍生材料的研究利用，先后负责和参加国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目近10项，发表学术论文50余篇，授权国家发明专利11项。团队已在生物基纳米纤维关键制造技术方面获得多项原创性成果，可以从木材、农作物秸秆等低质生物质资源中解离出高长径比、高结晶度的纤维素纳米纤维。基于林木细胞壁的多组分“纳米纤维-基体”复杂层状结构以及实验室分离生物基纤维方法，进一步研发了过氧化氢法制备生物基纤维策略。以木质纤维素纳米纤维为构筑单元，采用不同的成型方法开发出一系列宏观块体材料。

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