纤维素气凝胶作为新生的第三代气凝胶,兼具了传统的硅气凝胶和聚合物基气凝胶的高孔隙率、高比表面积、低声速等优良性质,同时融入了原材料自身的优异性能,如:生物相容性、可降解性和亲水性等,因此在生物医药、吸附剂、催化剂等领域具有广阔的应用前景。实际上,纤维素气凝胶优异的结构特性和丰富的表面含氧基团使其特别适合作为基体物质来发展多功能的纳米复合材料。因此,借助特殊的理化工艺对纤维素气凝胶进行改性或掺杂功能性小分子/纳米材料,从而拓展纤维素气凝胶在多个领域的应用潜力具有显著的研究意义。本论文以废弃、低价值的农林生物质资源为原料,分别采用“化学预处理-高频脉冲超声-溶剂置换-冷冻干燥”和“溶解-冻融-再生-冷冻干燥”工艺制备得到纳米纤丝化纤维素(NFC)气凝胶和再生纤维素气凝胶,再通过温和、廉价、简便的理化工艺,制备多种纤维素气凝胶基纳米复合材料,旨在拓展纤维素气凝胶在水环境修复、抑制细菌生长、电磁干扰屏蔽等领域的潜在应用。本论文的主要研究内容可概括为以下几点:(1)以废弃的椰壳为原料,采用温和的制备工艺(包括化学预处理、高频脉冲超声、溶剂置换和叔丁醇冷冻干燥)制备得到超轻的NFC气凝胶,其堆积密度仅为0.84 mg·cm-3。随后,通过化学气相沉积法,采用甲基三氯硅烷对该气凝胶进行修饰改性。改性后的气凝胶具有疏水性(水接触角可达139℃),且可吸附质量为气凝胶自身干重的296～669倍的有机液体,并展现出了良好的油水分离效果。(2)以竹纤维为原料,采用氢氧化钠/聚乙二醇溶剂体系进行溶解、冻融、再生处理和冷冻干燥,制备得到了轻质高强的再生纤维素气凝胶。该气凝胶表现出了较强的抵抗压缩变形的能力,其杨氏模量高达1.85 MPa,屈服应力可达83.57kPa,韧性达52.34kJ·m-3。通过热解再生纤维气凝胶可成功制备得到多功能的碳气凝胶。在热解之后,碳气凝胶仍然保留了原有的纤维素气凝胶的相互交联的三维网络结构。该热解过程也赋予了碳气凝胶疏水性、导电性和阻燃性。(3)利用简单的化学共沉淀法在再生纤维素气凝胶的三维网络结构中合成具有超顺磁性且分散良好的γ-Fe203纳米粒子。通过调整初始反应物的浓度,可以灵活地调控合成的γ-Fe203@纤维素气凝胶纳米复合材料中纳米颗粒的尺寸、孔隙特征参数、磁学性能和力学性能。将这种绿色环保的γ-Fe203@CA纳米复合材料用作环境友好型吸附剂进而吸附废水中的重金属离子(六价铬离子,Cr(Ⅵ))。由于纤维素气凝胶具有许多优良的结构特性(如:大比表面积和高孔隙率),这些结构特性在提升复合材料的整体吸附效果上起着至关重要的作用以及对纳米颗粒的分散效果也具有显著的影响。该纳米复合材料针对Cr(Ⅵ)的最大吸附量可达10.2mg·g-1。此外,γ-Fe203@纤维素气凝胶纳米复合材料具有强磁响应性,因此在处理含Cr(Ⅵ)的重金属离子废水后,可以通过外加磁场将该纳米复合材料从废水中分离出来。(4)以硝酸银为氧化剂诱导吡咯单体在纤维素气凝胶表面发生氧化聚合反应,得到聚吡咯/纳米银/纤维素气凝胶三元纳米复合材料。聚吡咯和银纳米颗粒在纤维素气凝胶基质中分散良好,且呈现出良好的界面结合效果。另外,分别采用平行划线法和最小抑菌浓度测定这两种方法来分别定性和定量分析聚吡咯/纳米银/纤维素气凝胶三元纳米复合材料对大肠杆菌(革兰阴性菌)、金黄色葡萄球菌(革兰阳性菌)和单核细胞增生李斯特菌(胞内菌)生长的抑制效果。试验证实了该复合材料具有良好的抑菌活性。(5)采用一种简易、可行的方法室温下合成锐钛矿相二氧化钛溶胶,通过浸渍和冷冻干燥制备得到锐钛矿相二氧化钛/纤维素气凝胶纳米复合材料。这种锐钛矿相二氧化钛/纤维素气凝胶纳米复合材料在紫外灯照射下可快速光催化降解靛蓝染料。(6)采用超声分散法制备得到氧化石墨烯分散液,随后将氧化石墨烯分散液与纤维素溶液混合,再经再生处理和冷冻干燥等过程制备得到了氧化石墨烯/纤维素气凝胶纳米复合材料。试验证实,纤维素分子的存在有效地缓解了氧化石墨烯在高浓度的氢氧化钠溶液中的聚集趋势,提高了混合体系的整体稳定性。同时,试验观察发现,氧化石墨烯的添加诱导了纤维素纤维在二维平面进行组装,形成了较齐整的片状结构。随后,采用左旋维他命C还原纳米复合材料中的氧化石墨烯成分,以增加整体的导电性;在冷冻干燥处理后,将得到的还原氧化石墨烯/纤维素气凝胶在氮气保护下进行高温热解,从而进一步提高整体的导电性。最终制得的石墨烯纳米片/碳气凝胶纳米复合材料呈现出了优异的电磁干扰屏蔽性能,SEtotal值高达58.4 dB。(7)采用一种简单、廉价的工艺过程(包括热解和气相聚合)制备负载有α-Fe2O3和聚吡咯的碳气凝胶纳米复合材料。为了研究α-Fe2O3和聚吡咯对该三元纳米复合材料的电磁干扰屏蔽性能的增强效果,对该三元纳米复合材料、α-Fe2O3/碳气凝胶、聚吡咯和酸处理的碳气凝胶的电磁干扰屏蔽性能进行测试和对比。经计算,它们的SEtotal值分别可达39.4dB、29.3dB、13.6dB和19.3dB,这证明了 α-Fe203和聚吡咯具有良好的增强电磁干扰屏蔽效果的作用。此外,该三元纳米复合材料具有吸收主导的电磁干扰屏蔽机制,这有助于减轻反射所造成的二次辐射。该特性是开发电磁辐射防护产品时必须要考虑的一大重要因素。