提起凝膠一詞,首先你腦海中浮現(xiàn)的是什么呢?啫喱?果凍?蘆薈膠?隱形眼鏡?凝膠是溶膠或溶液中的膠體粒子在分散介質(zhì)作用下形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性固體,其中,以氣體為分散介質(zhì)的,我們稱之為氣凝膠;以水為分散介質(zhì)的,則叫水凝膠。

氣凝膠其內(nèi)部98%以上是空氣,因此其密度極小,是世界上密度最小的固體。2015年東華大學(xué)的納米纖維研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的最新論文中提到:該團(tuán)隊(duì)利用普通纖維膜材料開發(fā)出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠,經(jīng)中國(guó)計(jì)量認(rèn)證結(jié)果顯示,這種纖維氣凝膠的固態(tài)材料密度僅為0.12毫克每立方厘米,成功刷新了此前“全碳?xì)饽z”密度(0.16毫克每立方厘米)記錄,成為“世界最輕材料”。

密度“世界之最”,所以纖維素氣凝膠又被稱為“第三代氣凝膠材料”?

第三代氣凝膠材料

石化燃料的過渡和有害氣體的大量排放帶來嚴(yán)重的環(huán)境和資源問題,推動(dòng)天然聚合物材料可持續(xù)、可生物降解、資源化發(fā)展。纖維素是地球上最豐富的天然聚合物,纖維素材料及其衍生物的研究發(fā)展符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

纖維素氣凝膠是纖維素材料的重要組成,具有可再生性、生物降解性、易于表面改性、高孔隙率、高比表面積、低密度以及3D互連的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),是一種環(huán)境友好型多功能材料,可應(yīng)用于吸附與分離材料、隔熱材料、生物醫(yī)學(xué)材料、儲(chǔ)能材料、金屬納米顆粒/金屬氧化物載體、催化等領(lǐng)域?;诶w維素氣凝膠在具備氣凝膠優(yōu)異性能的同時(shí),兼具可再生和生物降解性等,被稱為“第三代氣凝膠材料”

纖維素氣凝膠分類

纖維素有不同的來源,包括植物性纖維素材料(如稻草、棉花、木材)、細(xì)菌發(fā)酵中提取的纖維素(如木醋桿菌)和廢棄物中提取的再生纖維素(如報(bào)紙、紙箱)等。纖維素氣凝膠根據(jù)纖維素制備來源和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同,可分為三類:納米纖維素氣凝膠、再生纖維素氣凝膠和纖維素衍生物氣凝膠。

1、納米纖維素氣凝膠

納米纖維素氣凝膠(NC)是指直徑為2~100 nm,長(zhǎng)度為數(shù)百納米或微米的納米纖維素材料為基礎(chǔ),通過溶劑法、機(jī)械分散法和有機(jī)溶劑衍生物對(duì)其進(jìn)行溶解和分散后,通過交聯(lián)形成水凝膠,干燥得到纖維素氣凝膠。

2、再生纖維素氣凝膠

再生纖維素氣凝膠的制備步驟如下:(1)將纖維素完全溶解在溶劑中;(2)溶劑交換再生纖維素;(3)凝膠化形成水凝膠;(4)干燥形成氣凝膠。

再生纖維素氣凝膠有更大的平均孔徑,收縮率通常大于30%,一般采用酸水解、酶處理、機(jī)械崩解等方法提取再生纖維素。由于生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低,再生纖維素氣凝膠得到廣泛的研究。

3、纖維素衍生物氣凝膠

通過化學(xué)修飾來完成纖維素氣凝膠改性,是獲得纖維素衍生物氣凝膠的主要途徑。纖維素衍生物氣凝膠具有密度低、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低和尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn),根據(jù)不同需求進(jìn)行化學(xué)修飾,可提高或改善纖維素氣凝膠原有性能。

纖維素氣凝膠應(yīng)用

1、水凈化領(lǐng)域

 1.1、油水分離

隨著近海石油生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)牟粩嘣黾?,海上溢油事故日益頻發(fā),大量的石油進(jìn)入海洋,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。清理溢油成為環(huán)境保護(hù)的重要舉措,對(duì)比物理、化學(xué)和生物清油法,吸附法具有成本低、能耗低和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),是目前清理溢油、漏油的有效方法。納米纖維素基氣凝膠吸附劑具有高孔隙率、低密度、可再生和可生物降解等優(yōu)點(diǎn),通過化學(xué)改性提高納米纖維素氣凝膠的疏水性和親油性,可提高對(duì)油的吸附能力,在處理海水油水分離問題上應(yīng)用潛力巨大。

1.2、吸附重金屬

重金屬因其不可生物降解和在水中易積聚而對(duì)人類健康構(gòu)成威脅,重金屬污染通常被認(rèn)為是最嚴(yán)重的污染之一。吸附法制備工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保,成為最常用的方法。納米纖維素基氣凝膠對(duì)重金屬的吸附能力主要取決于其活性位點(diǎn)和多孔結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過改性的納米復(fù)合纖維素氣凝膠對(duì)重金屬具有強(qiáng)吸附力和降解能力,且在多次使用后仍能保持結(jié)構(gòu)完整、不變形,是吸附重金屬的理想材料。

1.3、吸附染料

用于紡織品、紙張、皮革和食品染色的染料是一類具有發(fā)色基團(tuán)的水溶性高分子有機(jī)化合物。廢水中的染料對(duì)水生生物有較大影響,其具有較強(qiáng)的螯合金屬離子傾向,會(huì)對(duì)魚和其他生物產(chǎn)生毒性且阻礙水生植物的生長(zhǎng),因此,染料廢水的污染問題亟需解決。納米纖維素氣凝膠吸附染料已被證明是有效可行的方法,具有良好的吸附性能和商業(yè)價(jià)值。

2、生物醫(yī)用材料

2.1、組織工程

人體組織損傷或缺損往往會(huì)導(dǎo)致功能性障礙,是人類健康面臨的重要疾病之一。根據(jù)組織工程原理,可利用合成或天然材料代替生物體缺失或缺損的組織器官。纖維素水凝膠由于其特定的結(jié)構(gòu)和性能,成為可注射型支架的首選材料,用于組織缺損部位的填充。纖維素水凝膠含有足夠大的孔結(jié)構(gòu)和三維空間,具有強(qiáng)吸水保水功能和出色的生物相容性,以及與天然組織非常相似的柔韌性,其作為組織器官,可為體內(nèi)活細(xì)胞提供生存以及儲(chǔ)存養(yǎng)分的空間。

2.2、傷口敷料

創(chuàng)傷敷料是一種治療皮膚損傷簡(jiǎn)單有效的方法。水凝膠醫(yī)用敷料是一種新型的傷口敷料,其含水量可高達(dá)96%,因此能夠維持傷口表面的濕潤(rùn)環(huán)境。傳統(tǒng)醫(yī)用無菌紗布在與抗生素等藥物配合使用時(shí),會(huì)造成傷口與包扎物發(fā)生黏連,容易對(duì)傷口造成二次傷害。纖維素基水凝膠除了具有優(yōu)異的生物相容性和可降解性,還具有高含水量和柔軟性等特點(diǎn),可以用作創(chuàng)面敷料材料,可減少病人傷口的疼痛,減少體液的流失,保護(hù)皮膚,防止感染,還可以讓傷口呼吸,防止結(jié)痂疤痕的形成,是理想的傷口敷料材料。

2.3、藥物釋放

纖維素基水凝膠作為一種新型的藥物緩釋載體,擁有交聯(lián)密度和孔徑可調(diào)控的多孔三維結(jié)構(gòu),具有開放的孔隙結(jié)構(gòu)及較高的比表面積,藥物分子可以負(fù)載在其中,并可通過調(diào)節(jié)外部環(huán)境條件得以釋放,其在藥物控釋領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

3、保溫隔熱材料

氣凝膠的熱傳導(dǎo)一般分為固體熱傳導(dǎo)、孔結(jié)構(gòu)中的氣體熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)。其傳熱性能又與氣凝膠密度、孔徑分布和表面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。研究學(xué)者通過優(yōu)化纖維素氣凝膠結(jié)構(gòu),制得低密度高比表面積的改性纖維素氣凝膠,其內(nèi)部大量納米孔限制氣體分子運(yùn)動(dòng),從而大大降低導(dǎo)熱率,達(dá)到保溫隔熱的效果。

4、智能材料

纖維素基水凝膠因其整體的生物相容性、細(xì)胞和小分子的高存儲(chǔ)容量以及凝膠 – 水溶液界面處的低界面張力而應(yīng)用于智能設(shè)備的制造?;诶w維素的智能材料具有獨(dú)特的特性,比如強(qiáng)大的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性等。纖維素與碳納米管制備的復(fù)合水凝膠,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)體、可穿戴電子設(shè)備、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能紡織品、液體泄漏的檢測(cè)、應(yīng)變傳感器、熱敏電阻、濕度或蒸汽傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、電池、能源儲(chǔ)存和超級(jí)電容器等。水凝膠膜還可用作響應(yīng)時(shí)間短的高靈敏度pH 響應(yīng)納米傳感器。

纖維素氣凝膠發(fā)展建議

  1. 纖維素溶劑難以回收、成本高、改性方法復(fù)雜、煩瑣,因此需要開發(fā)低成本、環(huán)保、高效且無毒的纖維素溶劑提高溶解效率,優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)制備;
  2. 纖維素氣凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性能有待進(jìn)一步提高,因此需要繼續(xù)探索物理混合或化學(xué)改性改善性能和穩(wěn)定性;
  3. 尋找適用于不同種類纖維素氣凝膠的簡(jiǎn)單、安全的凝膠干燥方法;

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