摘要
功能膜材料是应用十分广泛的一类材料，涉及到现代工业的各个领域。但目前商业化应用的功能膜大部分都是基于石化资源制备的，庞大的消耗量加上材料的不可降解性，带来了环境和能源的双重压力。近年来，基于纳米纤维素构建的新一代功能膜材料受到越来越多的关注。但现阶段制备纳米纤维素基功能膜还面临许多问题，如膜的制备效率低、耐用性差、生物相容性降低等问题，制约着纳米纤维素基功能膜的进一步发展。针对此，本论文以木质纤维为原料，通过简单高效的方法制备了含木质素纳米纤维素（LCNFs），并基于LCNFs构筑了一系列的功能膜材料，包括抗紫外膜、耐水膜、阻隔包装膜、电磁屏蔽膜，探究了材料中木质素与纳米纤维素的相互作用机制，为木质纤维资源的高值化利用提供了新的思路和理论指导。内容主要涵盖以下几个方面： （1）以化学机械浆为原料，结合TEMPO氧化和微射流均质技术制备了LCNFs。研究了TEMPO体系中NaClO用量对氧化过程的影响，以及在相同的机械处理条件下，木质素含量对LCNFs物化性能的影响。结果表明，通过控制TEMPO体系中NaClO的用量可实现对木质素保留量的调控，且NaClO的用量与木质素保留量呈负相关性。木质素结构分析表明，氧化过程中木质素主要发生了侧链区β-O-4芳基醚键的断裂以及芳香结构中G型结构单元和对香豆酸结构的降解。此外，在相同机械处理条件下，木质素保留量越高，LCNFs尺寸越大，且越不均一。制备的绝大部分LCNFs都能在水相体系中保持良好的分散稳定性。 （2）采用不同木质素含量的LCNFs，通过抽滤成型的方式制备了具有高透明、高效抗紫外特性的纳米膜（LCNP）。将其与纯纳米纤维素膜（CNP）进行对比，系统地研究了木质素保留量对膜性能的影响。结果表明，保留的木质素成分对纳米膜的可见光透过性没有太大的影响，并且赋予了膜优异的抗紫外性能。膜的紫外屏蔽效率随木质素的增加而增强，特别是16-LCNP样品，同时具备超高的可见光透过率（~91%）、雾度（~91%），以及高的紫外屏蔽效率（~87%）。此外，研究还发现木质素的保留显著地增强了膜的韧性、湿强度和热稳定性。这种全生物质基高透光率、高效抗紫外膜在汽车装饰、光电器件及建筑防护等领域展现出潜在的应用前景。 （3）针对上一章中制备的含木质素纳米膜耐水性不足的问题，基于金属离子交联的策略进一步构建了生物质基耐水膜材料（M-LCNP）。研究了不同金属离子交联后对纳米膜性能的影响，探究了交联膜耐水性提高的作用机理。结果表明，金属离子和木质纤维组分交联形成了稳定的配位键，进而增强了纳米膜的耐水性能。就耐水性能的改善而言，三价金属离子要明显优于二价金属离子，其中又以Fe-LCNP的效果最佳，其在水中浸泡24h后的湿强度可高达52MPa，膜的吸水率可降至35%。此外，金属离子的加入还提高了膜的紫外屏蔽效率和热稳定性，但个别有色金属离子的存在会影响膜的可见光透过率。最后，以M-LCNP为基底制备了导电银线，展现了这种耐水膜作为柔性基底的潜力。 （4）鉴于纤维纳米素膜水蒸气阻隔性较差及功能性单一的问题，设计了一种具备多功能性、高阻隔的生物质基阻隔包装膜。研究了铝离子浸渍及不同壳聚糖涂布量对复合膜性能的影响，并系统地表征了材料阻隔、光学、力学、抗菌等性能。结果表明，铝离子的浸入赋予了复合膜优异的水稳定性，进而大幅提高了膜的水蒸气阻隔能力。而进一步的涂布壳聚糖处理，使其在膜表面形成了致密的阻隔层，进而使复合膜的透氧系数下降了约64%。此外，复合膜具备良好的可见光透过率（~90%）、力学强度（~90MPa）、抗菌性（＞92%）、防油性（12级）等性能。这种具有优异阻隔能力兼具多功能性的生物质基复合膜，有望作为新一代绿色、高阻隔性包装材料来替代传统的石化基塑料。 （5）基于真空辅助抽滤自组装的策略构建了一种具有“砖-泥”结构的MXene/LCNFs复合电磁屏蔽膜。研究了不同配比下复合膜结构及物化性能的变化，探究了复合膜电磁屏蔽的作用机制。结果表明，随着LCNFs含量的增加，复合膜的干强度、韧性、水稳定性等提升明显，特别是干强度和水稳定性，随着LCNFs含量的增加而明显增强。另外，复合膜还展现出高效的电磁屏蔽性能，在厚度仅为34μm时，X波段的电磁屏蔽效能可达~42dB。该复合膜材料展现出在柔性器件、汽车电子、航空航天等领域的应用前景。
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