木质纤维素是地球上含量最丰富的生物高分子,广泛存在于木本与草本植物中;甲壳素是地球上第二大生物高分子,但大部分的甲壳素原料(虾壳和蟹壳)没有进行有效开发就被当成工业或生活垃圾丢弃。由于生物质原料固有的天然性质使其各组分间相互交织成聚合物网络,具有极强的顽抗特性。因此,对生物质原料进行有效的组分分离,并将分离开来的各组分充分利用,制备出高性能材料,对解决当前的资源匮乏难题具有积极意义。本论文以离子液体分离生物质组分技术为基础,利用不同溶剂体系、交联方法和成型模式,将生物质和各生物高分子制备成功能化结构材料,应用于医药、食品包装和环境保护等多种领域。首先,探究了不同的离子液体溶解方法对杨木粉和虾壳粉再生高分子的得率和纯度的影响;然后通过“溶解-凝结”或“溶解-热固化”方法,将分离提取到的纤维素和甲壳素在离子液体或NaOH/尿素溶剂体系中凝胶化;其次,考查用离子液体分离得到的纤维素制得的功能化凝胶产品对重金属离子的吸附;最后,通过合成一种特殊的交联改性剂,创造性地将另一种分离产物—木质素也制成高性能的水凝胶材料。论文的主要研究内容如下:(1)醋酸咪唑离子液体能够有效分离出杨木中的纤维素和木质素以及虾壳中的甲壳素,前者最理想的分离方法是多金属氧酸盐催化氧化法和高温短时法,分别可以保证产物的纯度和得率;后者使用微波加热法,5 min内即可提取出纯度高于市售甲壳素的产物。生物质组分分离完成后,离子液体可以回收再利用,并依然保持较高的组分分离能力。(2)应用模具凝结法和薄膜延展法,从生物质和生物高分子的离子液体溶液中制备块状水凝胶和薄膜醇凝胶,凝胶的成型性主要取决于原料的分子量和纯度,分子量和纯度越高,成型性越好。通过进一步超临界CO2干燥,得到块状和薄膜气凝胶,或者通过气干得到另一种气干薄膜材料。纤维素气凝胶薄膜结构稳定可折叠,但甲壳素气凝胶薄膜质地过脆,不利于制备和使用。气凝胶都能够再吸水,但再吸水的水凝胶含水量远小于初始水凝胶,不过力学强度却能得到提高,并具有优异的弹塑性,因此有望用作活性物质载体或生物质吸附剂材料。气干薄膜拉伸强度大、透湿性低,是潜在的食品包装材料;纤维素气凝胶薄膜拉伸强度较低,但足够普通使用需求,透湿性稍高,并具有抗氧化活性,适宜用作干燥或有轻微渗出液创口的敷料材料。(3)应用热固化法,从天然高分子的NaOH/尿素溶液中制备出物理和化学(环氧氯丙烷作交联剂)交联的水凝胶和气凝胶。高分子量的纤维素和甲壳素可以在该体系中形成稳定的物理和化学交联两种水凝胶;但较低分子量的纤维素和甲壳素只能形成化学交联水凝胶。纤维素化学水凝胶具有透明性,并且纤维素纯度越高,透明度越高;润胀程度越高,透明性越好。该体系制得的气凝胶再吸水性大多十分优良,尤其是高分子量的纤维素和甲壳素形成的低浓度的化学凝胶;因而该体系气凝胶具有良好的负载和释放活性物质的能力,并且高浓度小孔洞的凝胶负载容量大,释放速率小。此外,关于超临界干燥时的体积收缩和气凝胶产品的密度和孔隙度有两点通用机理:a)物理交联且纯度高的水凝胶在整个超临界干燥过程中收缩很小,而此收缩率随着原料中杂质含量的升高而升高;化学交联水凝胶的大分子链缠结度小于物理交联水凝胶,因而润胀更好,分子链更伸展,当进行超临界干燥时,体积收缩更剧烈;b)气凝胶的密度和孔隙度与原料的浓度和超临界过程中的收缩率有关,低原料浓度和低收缩率则密度低,孔隙度高。(4)高温短时法得到的富纤维素原料(CRM)分子量大,“溶解-凝结”时成型性良好,通过液滴化能轻易重构成木质纤维素基凝胶粒。与硫酸盐木浆(KP)和微晶纤维素(MCC)制得的凝胶粒以及与杨木粉-离子液体溶液直接制得的凝胶粒相比,CRM凝胶粒的比表面积更大、自由羟基数更多、密度更低、孔隙度更高、微观壁层结构更规整、Fe304含量更高、羧甲基化程度也更高。羧甲基化磁性CRM凝胶粒对Cu2+和Pb2+重金属离子的吸附能力优良,随着吸附剂用量的增加(0.004-0.09g干重/100mL0.1mM溶液),重金属离子的移除百分率从5.5%升至90%;对Cu2+和Pb2+的单分子层最大吸附量分别达到 0.144 mmol g-1(9.15 mg g-1)和 0.161 mmol g-1(33.36 mg g-1)。(5)端基环氧化聚乙二醇(ETPEG)能作为木质素优良的交联剂、塑化剂和亲水改性剂,热诱导后能够制备出块状和薄膜状的木质素基水凝胶。所有木质素/ETPEG水凝胶都可以气干保存,并且具有优良的吸水性、抗氧化性、抑菌性和重复使用性,有望用于活性物质负载、食品包装和创口敷料等领域。气干时木质素水凝胶的体积收缩率与凝胶的厚度有关,厚度越大,干燥收缩率越大,孔隙度越小,透湿性越小,但再吸水性越好。相比于硫酸盐法(KF-)木质素,离子液体分离得到的(IL-)木质素有三大优势:a)制备水凝胶所需的IL-木质素浓度低,成型性好;b)IL-木质素/ETPEG块状水凝胶结构更稳定、强度高、脆性小,利于制备和使用,并能“气干-再水化”循环使用;c)IL-木质素/ETPEG水凝胶薄膜厚度更小,透湿性和抗氧化活性更高。