“第三代气凝胶材料”—纤维素气凝胶

提起凝胶一词,首先你脑海中浮现的是什么呢?啫喱?果冻?芦荟胶?隐形眼镜?凝胶是溶胶或溶液中的胶体粒子在分散介质作用下形成空间网状结构的弹性固体,其中,以气体为分散介质的,我们称之为气凝胶;以水为分散介质的,则叫水凝胶

气凝胶其内部98%以上是空气,因此其密度极小,是世界上密度最小的固体。2015年东华大学的纳米纤维研究团队发表的最新论文中提到:该团队利用普通纤维膜材料开发出了一种超轻、超弹的纤维气凝胶,经中国计量认证结果显示,这种纤维气凝胶的固态材料密度仅为0.12毫克每立方厘米,成功刷新了此前“全碳气凝胶”密度(0.16毫克每立方厘米)记录,成为“世界最轻材料”。

密度“世界之最”,所以纤维素气凝胶又被称为“第三代气凝胶材料”?

第三代气凝胶材料

石化燃料的过渡和有害气体的大量排放带来严重的环境和资源问题,推动天然聚合物材料可持续、可生物降解、资源化发展。纤维素是地球上最丰富的天然聚合物,纤维素材料及其衍生物的研究发展符合可持续发展战略。

纤维素气凝胶是纤维素材料的重要组成,具有可再生性、生物降解性、易于表面改性、高孔隙率、高比表面积、低密度以及3D互连的多孔网络结构等特点,是一种环境友好型多功能材料,可应用于吸附与分离材料、隔热材料、生物医学材料、储能材料、金属纳米颗粒/金属氧化物载体、催化等领域。基于纤维素气凝胶在具备气凝胶优异性能的同时,兼具可再生和生物降解性等,被称为“第三代气凝胶材料”

纤维素气凝胶分类

纤维素有不同的来源,包括植物性纤维素材料(如稻草、棉花、木材)、细菌发酵中提取的纤维素(如木醋杆菌)和废弃物中提取的再生纤维素(如报纸、纸箱)等。纤维素气凝胶根据纤维素制备来源和结构性质的不同,可分为三类:纳米纤维素气凝胶、再生纤维素气凝胶和纤维素衍生物气凝胶。

1、纳米纤维素气凝胶

纳米纤维素气凝胶(NC)是指直径为2~100 nm,长度为数百纳米或微米的纳米纤维素材料为基础,通过溶剂法、机械分散法和有机溶剂衍生物对其进行溶解和分散后,通过交联形成水凝胶,干燥得到纤维素气凝胶。

2、再生纤维素气凝胶

再生纤维素气凝胶的制备步骤如下:(1)将纤维素完全溶解在溶剂中;(2)溶剂交换再生纤维素;(3)凝胶化形成水凝胶;(4)干燥形成气凝胶。

再生纤维素气凝胶有更大的平均孔径,收缩率通常大于30%,一般采用酸水解、酶处理、机械崩解等方法提取再生纤维素。由于生产工艺简单、成本低,再生纤维素气凝胶得到广泛的研究。

3、纤维素衍生物气凝胶

通过化学修饰来完成纤维素气凝胶改性,是获得纤维素衍生物气凝胶的主要途径。纤维素衍生物气凝胶具有密度低、孔隙率高、导热系数低和尺寸稳定性好等特点,根据不同需求进行化学修饰,可提高或改善纤维素气凝胶原有性能。

纤维素气凝胶应用

1、水净化领域

 1.1、油水分离

随着近海石油生产和运输的不断增加,海上溢油事故日益频发,大量的石油进入海洋,对环境造成严重污染。清理溢油成为环境保护的重要举措,对比物理、化学和生物清油法,吸附法具有成本低、能耗低和操作简单的优势,是目前清理溢油、漏油的有效方法。纳米纤维素基气凝胶吸附剂具有高孔隙率、低密度、可再生和可生物降解等优点,通过化学改性提高纳米纤维素气凝胶的疏水性和亲油性,可提高对油的吸附能力,在处理海水油水分离问题上应用潜力巨大。

1.2、吸附重金属

重金属因其不可生物降解和在水中易积聚而对人类健康构成威胁,重金属污染通常被认为是最严重的污染之一。吸附法制备工艺简单、环保,成为最常用的方法。纳米纤维素基气凝胶对重金属的吸附能力主要取决于其活性位点和多孔结构,实验证明经过改性的纳米复合纤维素气凝胶对重金属具有强吸附力和降解能力,且在多次使用后仍能保持结构完整、不变形,是吸附重金属的理想材料。

1.3、吸附染料

用于纺织品、纸张、皮革和食品染色的染料是一类具有发色基团的水溶性高分子有机化合物。废水中的染料对水生生物有较大影响,其具有较强的螯合金属离子倾向,会对鱼和其他生物产生毒性且阻碍水生植物的生长,因此,染料废水的污染问题亟需解决。纳米纤维素气凝胶吸附染料已被证明是有效可行的方法,具有良好的吸附性能和商业价值。

2、生物医用材料

2.1、组织工程

人体组织损伤或缺损往往会导致功能性障碍,是人类健康面临的重要疾病之一。根据组织工程原理,可利用合成或天然材料代替生物体缺失或缺损的组织器官。纤维素水凝胶由于其特定的结构和性能,成为可注射型支架的首选材料,用于组织缺损部位的填充。纤维素水凝胶含有足够大的孔结构和三维空间,具有强吸水保水功能和出色的生物相容性,以及与天然组织非常相似的柔韧性,其作为组织器官,可为体内活细胞提供生存以及储存养分的空间。

2.2、伤口敷料

创伤敷料是一种治疗皮肤损伤简单有效的方法。水凝胶医用敷料是一种新型的伤口敷料,其含水量可高达96%,因此能够维持伤口表面的湿润环境。传统医用无菌纱布在与抗生素等药物配合使用时,会造成伤口与包扎物发生黏连,容易对伤口造成二次伤害。纤维素基水凝胶除了具有优异的生物相容性和可降解性,还具有高含水量和柔软性等特点,可以用作创面敷料材料,可减少病人伤口的疼痛,减少体液的流失,保护皮肤,防止感染,还可以让伤口呼吸,防止结痂疤痕的形成,是理想的伤口敷料材料。

2.3、药物释放

纤维素基水凝胶作为一种新型的药物缓释载体,拥有交联密度和孔径可调控的多孔三维结构,具有开放的孔隙结构及较高的比表面积,药物分子可以负载在其中,并可通过调节外部环境条件得以释放,其在药物控释领域应用潜力巨大。

3、保温隔热材料

气凝胶的热传导一般分为固体热传导、孔结构中的气体热传导和辐射热传导。其传热性能又与气凝胶密度、孔径分布和表面结构密切相关。研究学者通过优化纤维素气凝胶结构,制得低密度高比表面积的改性纤维素气凝胶,其内部大量纳米孔限制气体分子运动,从而大大降低导热率,达到保温隔热的效果。

4、智能材料

纤维素基水凝胶因其整体的生物相容性、细胞和小分子的高存储容量以及凝胶 – 水溶液界面处的低界面张力而应用于智能设备的制造。基于纤维素的智能材料具有独特的特性,比如强大的机械强度和生物相容性等。纤维素与碳纳米管制备的复合水凝胶,广泛应用于导体、可穿戴电子设备、结构健康监测、智能纺织品、液体泄漏的检测、应变传感器、热敏电阻、湿度或蒸汽传感器、生物传感器、化学传感器、电池、能源储存和超级电容器等。水凝胶膜还可用作响应时间短的高灵敏度pH 响应纳米传感器。

纤维素气凝胶发展建议

  1. 纤维素溶剂难以回收、成本高、改性方法复杂、烦琐,因此需要开发低成本、环保、高效且无毒的纤维素溶剂提高溶解效率,优化生产技术实现大规模的工业制备;
  2. 纤维素气凝胶的结构强度和稳定性能有待进一步提高,因此需要继续探索物理混合或化学改性改善性能和稳定性;
  3. 寻找适用于不同种类纤维素气凝胶的简单、安全的凝胶干燥方法;

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