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泡沫材料因为其优良的特性，如优异的力学性能，高比表面积，轻质，高孔隙率等，被广泛应用于染料、重金属离子和激素等污染物的吸附，油水分离，海水淡化等领域。传统泡沫材料的原料主要是从化石资源中获得的，这些石油基泡沫材料因其方便制备、廉价和优异的性能而被广泛开发利用。然而石油基材料使用后无法生物降解，需要高成本处理其造成的环境污染。为了解决日益突出的环境和资源问题，利用可再生、可生物降解、储量丰富的纤维素为原料，开发多孔质轻的纳米纤维素基泡沫材料，有望解决上述问题。此外，纳米纤维素基泡沫的多孔结构有利于其与其他功能材料复合，赋予纳米纤维素基特殊的性能，拓展其在化工、环保、食品、医药等领域的应用范围。
本论文以纳米纤维素为主要原料，3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）为交联剂，并通过复合明胶，多巴胺改性，原位生长金属-有机框架化合物（ZIF-8），制备一系列纳米纤维素复合泡沫，并对其在去除污染物方面的应用展开研究。通过傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometry,FTIR)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、场发射扫描电镜(Field emission scanning electron microscopy,FESEM)、热重分析仪(Thermogravimetric analysis,TGA)、接触角测试仪、万能力学试验机等仪器对制备的纳米纤维素复合泡沫进行表征与分析。
研究工作具体如下：
1.以纳米纤维素为主要原料，加入明胶并以GPTMS作为交联剂，通过冷冻干燥方法制备明胶/纳米纤维素复合泡沫（CGMA）。研究发现在少量明胶加入的情况下（纤维素/明胶=30/1）制得的泡沫材料力学性能（CGMA30/1）最佳，相较于纯纳米纤维素泡沫（CA），其力学性能提高5倍，且在水体中能够稳定存在。此外明胶的加入量对复合泡沫的孔径有显著影响，随着明胶加入量的减少，复合泡沫的孔径逐渐减小。将CGMA30/1应用于吸附阳离子染料——亚甲基蓝（MB），最大吸附量可以达到430.33mg/g，且该泡沫具有良好的再生性能，经过盐酸溶液再生4次后，吸附率仍能保持84%以上。
2.以纳米纤维素为原料，GPTMS为交联剂制备纳米纤维素泡沫基体，将其置于多巴胺的乙醇/水混合溶液中，通过改变多巴胺聚合时间制备一系列聚多巴胺/纳米纤维素复合泡沫（PDA/CA）。结果表明通过聚多巴胺的物理改性和GPTMS的化学交联，PDA/CA在水中能够稳定存在，且表现出良好的力学性能，压缩强度达到496.2KPa。此外，聚多巴胺的负载能够赋予PDA/CA良好的自清洁能力和水下疏油特性，与石油醚的水下接触角达到147.8°，对于不同油水混合物的油水分离效率都可以达到97%以上。
3.在上述PDA/CA泡沫基体上原位生长ZIF-8，增加表面粗糙度进一步提高其水下疏油特性和力学性能，用于油水分离。实验结果表明ZIF-8的引入改善了ZIF-8/PDA/CA纳米纤维素复合泡沫表面的纳米微结构，与多种油的水下接触角都达到150°以上，用于分离多种油水混合物时，分离效率均能达到99%以上。
综上所述，本论文通过简单的方法，成功制备了一系列纳米纤维素多孔复合泡沫，具有良好的染料吸附、油水分离等性能，因此本论文所制备的纳米纤维素复合泡沫在环境污染物的去除方面具有潜在的应用前景。
本论文以纳米纤维素为主要原料，3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）为交联剂，并通过复合明胶，多巴胺改性，原位生长金属-有机框架化合物（ZIF-8），制备一系列纳米纤维素复合泡沫，并对其在去除污染物方面的应用展开研究。通过傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometry,FTIR)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、场发射扫描电镜(Field emission scanning electron microscopy,FESEM)、热重分析仪(Thermogravimetric analysis,TGA)、接触角测试仪、万能力学试验机等仪器对制备的纳米纤维素复合泡沫进行表征与分析。
研究工作具体如下：
1.以纳米纤维素为主要原料，加入明胶并以GPTMS作为交联剂，通过冷冻干燥方法制备明胶/纳米纤维素复合泡沫（CGMA）。研究发现在少量明胶加入的情况下（纤维素/明胶=30/1）制得的泡沫材料力学性能（CGMA30/1）最佳，相较于纯纳米纤维素泡沫（CA），其力学性能提高5倍，且在水体中能够稳定存在。此外明胶的加入量对复合泡沫的孔径有显著影响，随着明胶加入量的减少，复合泡沫的孔径逐渐减小。将CGMA30/1应用于吸附阳离子染料——亚甲基蓝（MB），最大吸附量可以达到430.33mg/g，且该泡沫具有良好的再生性能，经过盐酸溶液再生4次后，吸附率仍能保持84%以上。
2.以纳米纤维素为原料，GPTMS为交联剂制备纳米纤维素泡沫基体，将其置于多巴胺的乙醇/水混合溶液中，通过改变多巴胺聚合时间制备一系列聚多巴胺/纳米纤维素复合泡沫（PDA/CA）。结果表明通过聚多巴胺的物理改性和GPTMS的化学交联，PDA/CA在水中能够稳定存在，且表现出良好的力学性能，压缩强度达到496.2KPa。此外，聚多巴胺的负载能够赋予PDA/CA良好的自清洁能力和水下疏油特性，与石油醚的水下接触角达到147.8°，对于不同油水混合物的油水分离效率都可以达到97%以上。
3.在上述PDA/CA泡沫基体上原位生长ZIF-8，增加表面粗糙度进一步提高其水下疏油特性和力学性能，用于油水分离。实验结果表明ZIF-8的引入改善了ZIF-8/PDA/CA纳米纤维素复合泡沫表面的纳米微结构，与多种油的水下接触角都达到150°以上，用于分离多种油水混合物时，分离效率均能达到99%以上。
综上所述，本论文通过简单的方法，成功制备了一系列纳米纤维素多孔复合泡沫，具有良好的染料吸附、油水分离等性能，因此本论文所制备的纳米纤维素复合泡沫在环境污染物的去除方面具有潜在的应用前景。