仿生智能生物質複合材料製備關鍵技術（簡體書）

仿生智能生物質材料是利用仿生原理，以自然界生物質資源為原料，設計開發的具備特殊優異性能的功能和智能材料，屬於材料科學的發展方向之一。全書共7章，包括仿生智能生物質復合材料的研究與發展、仿生智能生物質復合材料的常用表征與分析方法、多功能特殊潤濕性木質復合材料的仿生制備關鍵技術、多功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備關鍵技術、多功能特殊潤濕性納米纖維素復合材料的仿生制備關鍵技術、智能生物質復合材料的仿生制備關鍵技術等，在內容上緊密聯繫先進材料的發展前沿。受自然界具有特殊優異性能的生物材料的啟發，本書從生物質特徵、生物質資源結構與組成出發，以生物質的高值化利用為目的，對仿生智能生物質復合材料的設計理念、結構與功能關係、智能響應機理及在不同領域的應用進行了系統介紹。本書可供木材科學、林產化工、生物質資源化學、新能源材料、高分子材料、環境工程、碳素材料、納米材料等專業的研究、開發、生產和管理人員閱讀參考。

張明，女，副教授，東北林業大學與美國賓夕法尼亞大學聯合培養博士，北華大學仿生材料研究室負責人，碩士生導師，主要從事生物質復合材料仿生智能化研究。在Carbohyd Polym., Appl SurfSci.,Ind Crop Prod., Chem Eng J., ACS Appl Mater Inter:, JEnviron Chem Eng., Adv Mater Inter:等期刊發表論文近50篇(二區以上SCI論文近30篇，H-index 20)，出版學術專著2部。申請國家發明專利10項，美國發明專利1項。現任新加坡Viser專家庫材料專家委員會委員，JInd Eng Chem., JEnviron ChemEng.等期刊審稿人。主持省優秀青年人才項目、省自然科學基金項目、國家重點實驗室開放基金、省教育廳科研項目、市杰出青年人才項目等8項。參與國家林業公益性科研專項重大項目、國家自然科學基金、省科技發展計劃項目等10余項;參與獲得省科技進步二等獎2項。

仿生技術對於制備高性能材料以及實現低碳化目標具有明顯意義，尤其是對智能材料的開發具有顯著價值。本書結合作者團隊多年的科研實踐，詳細介紹了數十種仿生智能材料的設計、制備與性能表征，並對相應的材料設計原則進行了分析，對於新材料的開發有明顯的指導價值。

我國農林生物質資源豐富，但高值化利用率較低。因此，改善產業結構，促進產品升級，發展高附加值、高科技含量的農林生物質復合產品勢在必行。仿生智能生物質復合材料是以農林生物質及其廢棄物為原料，引入“仿生”理念，即模仿自然界生物獨特的結構、性狀、行為以及對生存環境的響應機制，採用納米技術、智能仿生技術、信息技術、生物技術以及多種技術相結合，設計開發的具備特殊優異性能的功能和智能材料，屬於材料科學的發展方向之一。
本課題組自2011年開始，相繼獲得國家自然科學基金面上項目（31770605、32171693）、吉林省科技廳優秀青年項目（20190103110JH）、吉林省自然科學基金項目（YDZJ202201ZYTS441）、吉林省教育廳科學技術研究項目（JJKH20210050KJ）、科技部國家重點實驗室開放基金（K2019-08）、重點實驗室開放基金（SWZ-MS201910）、吉林市科技局杰出青年項目（20200104083）的資助。在全國林業工程學科同仁的支持下，做了大量的實驗嘗試，堅持了十年的預研和立項研究工作，以仿生智能生物質復合材料的制備關鍵技術為核心，堅持學科交叉融合的科學理念，並結合未來的生產技術與工業應用需求，編寫了《仿生智能生物質復合材料制備關鍵技術》一書。其主要特點如下：
（1）研究物件全部是農林生物質及其廢棄物
書中介紹的實驗原材料全部是農林生物質（例如：木材、竹材、木/竹材加工剩餘物、農作物秸稈、棉花等），它們具備來源廣、環境友好、可降解、可再生、生物相容性好、成本低等優點，為進一步實現這些農林生物質及其廢棄物的高附加值、高科技含量利用，提供新的解決途徑。
（2）聚焦基於農林生物質的仿生智能化制備技術
通過滴塗技術、自組裝技術、溶膠-凝膠技術、化學沉積技術、水熱法、真空-高壓浸漬技術、磁控濺射技術、靜電紡絲技術、原位聚合技術、高壓噴塗技術、相分離技術等，以及不同技術的交叉融合，獲得了一系列性能仿生的多功能生物質復合材料和對環境刺激響應的智能生物質復合材料。
（3）注重學科交叉融合、研究內容前沿，具先進性
本書注重多學科的科學理論交叉融合以及先進分析表征手段和具體制備技術的運用；綜述了仿生智能生物質復合材料在工業廢水凈化、海上油污處理、海水淡化、藥物遞送等領域的研究新進展，並重視研究內容的先進性、前瞻性和實踐性。
感謝本課題組的研究生邸鑫、杜西領、於倩倩、石燕花、楊青峰和安聰聰，他們在本書的編寫過程中積極、熱情地做了許多有益的工作。向關心和支持本書編寫的所有同仁表示由衷的感謝！對書中所引用文獻資料的作者表示誠摯謝意！
限於時間和筆者水平，書中欠妥和疏漏之處懇請讀者不吝賜教，謹致謝忱！

張明
2022年5月

第1章概論1
1.1仿生材料的概念1
1.2仿生材料的特殊潤濕性1
1.2.1固體表面潤濕性機理與模型2
1.2.2特殊潤濕性材料簡介11
1.3仿生材料的智能性15
1.3.1pH響應性16
1.3.2溫度響應性18
1.3.3磁場響應性19
1.3.4光響應性21
1.3.5電場響應性21
1.3.6雙(多)重響應性23

第2章仿生智能生物質復合材料的研究與發展25
2.1生物質資源的特徵25
2.1.1生物質的特徵25
2.1.2生物質資源的結構與組成26
2.2生物質資源的高值化利用27
2.2.1人造板30
2.2.2木質復合材料30
2.2.3木質活性炭30
2.2.4纖維素氣凝膠31
2.2.5再生纖維素纖維31
2.2.6生物質基熒光碳材料32
2.2.7磁性木材32
2.2.8能量儲存木材33
2.2.9智能變色木材33
2.2.10生物質基柔性應變傳感器34
2.3仿生智能木質復合材料的水體凈化研究進展34
2.3.1重金屬離子吸附35
2.3.2消毒殺菌37
2.3.3有機染料去除39
2.3.4油水分離42
2.3.5結語與展望44
2.4仿生智能木質復合材料的海水淡化研究進展45
2.4.1直接炭化木材46
2.4.2碳納米材料與木材復合47
2.4.3半導體材料與木材復合50
2.4.4高分子聚合物與木材復合51
2.4.5貴金屬材料與木材復合53
2.4.6結語與展望55
2.5仿生智能生物質復合材料的藥物遞送研究進展56
2.5.1蛋白質類高分子材料56
2.5.2多糖類高分子材料58
2.5.3生物質復合氣凝膠的藥物遞送應用61
2.5.4其他生物質復合材料的藥物遞送應用63
2.5.5結語與展望64

第3章仿生智能生物質復合材料的常用表征與分析方法66
3.1微觀形貌66
3.1.1掃描電子顯微鏡66
3.1.2透射電子顯微鏡68
3.2化學組成與晶體結構70
3.2.1紅外光譜70
3.2.2拉曼光譜73
3.2.3X射線衍射分析75
3.2.4X射線光電子能譜77
3.3比表面積及孔隙率分析79
3.3.1氣體吸附法80
3.3.2壓汞法81

第4章多功能特殊潤濕性木質復合材料的仿生制備關鍵技術84
4.1特殊潤濕性生物質復合材料的仿生制備方法84
4.1.1滴塗法84
4.1.2自組裝法89
4.1.3溶膠-凝膠法95
4.1.4化學沉積法101
4.1.5水熱法106
4.1.6真空-高壓浸漬法118
4.1.7磁控濺射法123
4.1.8靜電紡絲法130
4.2多功能特殊潤濕性木質復合材料的仿生制備方法136
4.2.1防腐抗菌功能136
4.2.2彈性導電功能144
4.2.3磁響應功能153
4.2.4光催化功能169
4.2.5水體凈化功能191
4.2.6抗紫外熒光功能201
4.2.7光熱轉化功能209
4.2.8海水淡化功能220

第5章多功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備關鍵技術231
5.1油水分離功能特殊潤濕性棉纖維復合材料231
5.1.1水體油污染危害232
5.1.2油水混合物類型234
5.1.3油水混合物處理方法234
5.1.4特殊潤濕性油水分離棉纖維復合材料的仿生制備方法238
5.2阻燃功能特殊潤濕性棉纖維復合材料244
5.2.1阻燃劑及阻燃機理244
5.2.2阻燃功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備方法246
5.3抗菌功能特殊潤濕性棉纖維復合材料257
5.3.1抗菌劑及抗菌機理257
5.3.2抗菌功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備方法258
5.4導電功能特殊潤濕性棉纖維復合材料269
5.4.1導電高分子材料簡介269
5.4.2導電功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備方法270
5.5抗紫外線功能特殊潤濕性棉纖維復合材料277
5.5.1紫外線屏蔽劑簡介277
5.5.2抗紫外線功能特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備方法278
5.6其他多功能特殊潤濕性棉纖維復合材料287
5.6.1特殊潤濕性PDMS/SiO2復合棉纖維材料的仿生制備方法287
5.6.2濕固化聚氨酯構築特殊潤濕性棉纖維復合材料的仿生制備方法303
5.6.3特殊潤濕性自驅動集油器的仿生制備方法314

第6章多功能特殊潤濕性納米纖維素復合材料的仿生制備關鍵技術326
6.1納米纖維素簡介326
6.1.1纖維素的化學結構327
6.1.2纖維素的聚集態結構327
6.2納米纖維素的制備方法328
6.2.1化學法328
6.2.2物理法329
6.2.3物理化學法330
6.2.4酶解法330
6.2.5靜電紡絲法331
6.2.6微生物法332
6.3納米纖維素的改性方法332
6.3.1物理吸附改性332
6.3.2表面化學改性333
6.4納米纖維素的組裝方法336
6.4.1納米纖維素基復合膜336
6.4.2納米纖維素水凝膠336
6.4.3納米纖維素氣凝膠337
6.4.4納米纖維素基炭氣凝膠340
6.5多功能特殊潤濕性納米纖維素復合材料的制備341
6.5.1超親水性細菌纖維素/鈀復合膜的制備341
6.5.2超親水性玉米秸稈粉/尼龍復合膜的制備351
6.5.3超親水性PAA/納米纖維素/BF復合纖維膜的制備363
6.5.4抑菌型特殊潤濕性Ag@TiO2/PVA/納米纖維素復合薄膜的制備369
6.5.5多功能特殊潤濕性Ag@TiO2/PVA/納米纖維素復合氣凝膠的制備379
6.5.6抑菌光催化功能特殊潤濕性Ag@TiO2/CS/納米纖維素復合薄膜的制備387

第7章智能生物質復合材料的仿生制備關鍵技術400
7.1pH響應智能變色納米纖維素復合紗線400
7.1.1智能纖維材料的研究目的與應用400
7.1.2pH響應智能材料簡介401
7.1.3靜電紡絲設備簡介403
7.1.4pH響應智能變色紗線的制備方法404
7.1.5智能變色紗線的測試與檢測方法406
7.1.6智能變色紗線的微觀形貌分析407
7.1.7智能變色紗線的拉伸強度分析409
7.1.8智能變色紗線的膨脹性能分析410
7.1.9智能變色紗線的pH響應性分析414
7.1.10智能變色紗線的紅外光譜分析415
7.1.11智能變色紗線的顏色響應機理分析417
7.1.12智能變色紗線的耐強酸強堿性能分析419
7.2Janus特殊潤濕性PVDF/MTMS/納米纖維素復合薄膜421
7.2.1Janus特殊潤濕性薄膜及其液體智能單向傳輸性421
7.2.2Janus特殊潤濕性薄膜材料的經典制備方法421
7.2.3Janus特殊潤濕性PVDF/MTMS/納米纖維素復合薄膜的制備422
7.2.4Janus特殊潤濕性復合薄膜兩側的微觀形貌分析423
7.2.5Janus特殊潤濕性復合薄膜的化學組成分析424
7.2.6Janus特殊潤濕性復合薄膜兩側的潤濕性分析426
7.2.7Janus薄膜的油水乳化液分離、液體單向傳輸與作用原理分析427
7.2.8Janus特殊潤濕性復合薄膜的化學與力學穩定性分析431
7.3重金屬離子響應智能變色納米纖維素復合氣凝膠432
7.3.1熒光傳感器簡介432
7.3.2內酰胺化羅丹明6G/納米纖維素復合氣凝膠的設計思路433
7.3.3內酰胺化羅丹明6G/納米纖維素復合氣凝膠的制備434
7.3.4內酰胺化羅丹明6G/納米纖維素/殼聚糖復合氣凝膠的制備435
7.3.5智能變色納米纖維素復合氣凝膠的工藝優化研究435
7.3.6智能變色納米纖維素復合氣凝膠的微觀形貌分析436
7.3.7智能變色納米纖維素復合氣凝膠的特殊潤濕性能評價437
7.3.8智能變色納米纖維素復合氣凝膠的pH響應性能分析439
7.3.9智能變色納米纖維素復合氣凝膠的抗壓縮性與可回彈性分析440
7.3.10智能變色納米纖維素復合氣凝膠對不同重金屬離子的識別441

參考文獻444