“第三代氣凝膠材料”—纖維素氣凝膠

提起凝膠一(yī)詞，首先你腦海中(zhōng)浮現的是什麽呢？啫喱？果凍？蘆荟膠？隐形眼鏡？凝膠是溶膠或溶液中(zhōng)的膠體(tǐ)粒子在分(fēn)散介質作用下(xià)形成空間網狀結構的彈性固體(tǐ)，其中(zhōng)，以氣體(tǐ)爲分(fēn)散介質的，我(wǒ)們稱之爲氣凝膠；以水爲分(fēn)散介質的，則叫水凝膠。

氣凝膠其内部98%以上是空氣，因此其密度極小(xiǎo)，是世界上密度最小(xiǎo)的固體(tǐ)。2015年東華大(dà)學的納米纖維研究團隊發表的最新論文中(zhōng)提到：該團隊利用普通纖維膜材料開(kāi)發出了一(yī)種超輕、超彈的纖維氣凝膠，經中(zhōng)國計量認證結果顯示，這種纖維氣凝膠的固态材料密度僅爲0.12毫克每立方厘米，成功刷新了此前“全碳氣凝膠”密度（0.16毫克每立方厘米）記錄，成爲“世界最輕材料”。

密度“世界之最”，所以纖維素氣凝膠又(yòu)被稱爲“第三代氣凝膠材料”？

石化燃料的過渡和有害氣體(tǐ)的大(dà)量排放(fàng)帶來嚴重的環境和資(zī)源問題，推動天然聚合物(wù)材料可持續、可生(shēng)物(wù)降解、資(zī)源化發展。纖維素是地球上最豐富的天然聚合物(wù)，纖維素材料及其衍生(shēng)物(wù)的研究發展符合可持續發展戰略。

纖維素氣凝膠是纖維素材料的重要組成，具有可再生(shēng)性、生(shēng)物(wù)降解性、易于表面改性、高孔隙率、高比表面積、低密度以及3D互連的多孔網絡結構等特點，是一(yī)種環境友好型多功能材料，可應用于吸附與分(fēn)離(lí)材料、隔熱材料、生(shēng)物(wù)醫學材料、儲能材料、金屬納米顆粒/金屬氧化物(wù)載體(tǐ)、催化等領域。基于纖維素氣凝膠在具備氣凝膠優異性能的同時，兼具可再生(shēng)和生(shēng)物(wù)降解性等，被稱爲“第三代氣凝膠材料”

纖維素有不同的來源，包括植物(wù)性纖維素材料(如稻草、棉花、木材)、細菌發酵中(zhōng)提取的纖維素(如木醋杆菌)和廢棄物(wù)中(zhōng)提取的再生(shēng)纖維素(如報紙(zhǐ)、紙(zhǐ)箱)等。纖維素氣凝膠根據纖維素制備來源和結構性質的不同，可分(fēn)爲三類：納米纖維素氣凝膠、再生(shēng)纖維素氣凝膠和纖維素衍生(shēng)物(wù)氣凝膠。

1、納米纖維素氣凝膠

納米纖維素氣凝膠(NC)是指直徑爲2~100 nm，長度爲數百納米或微米的納米纖維素材料爲基礎，通過溶劑法、機械分(fēn)散法和有機溶劑衍生(shēng)物(wù)對其進行溶解和分(fēn)散後，通過交聯形成水凝膠，幹燥得到纖維素氣凝膠。

2、再生(shēng)纖維素氣凝膠

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

再生(shēng)纖維素氣凝膠有更大(dà)的平均孔徑，收縮率通常大(dà)于30%，一(yī)般采用酸水解、酶處理、機械崩解等方法提取再生(shēng)纖維素。由于生(shēng)産工(gōng)藝簡單、成本低，再生(shēng)纖維素氣凝膠得到廣泛的研究。

3、纖維素衍生(shēng)物(wù)氣凝膠

通過化學修飾來完成纖維素氣凝膠改性，是獲得纖維素衍生(shēng)物(wù)氣凝膠的主要途徑。纖維素衍生(shēng)物(wù)氣凝膠具有密度低、孔隙率高、導熱系數低和尺寸穩定性好等特點，根據不同需求進行化學修飾，可提高或改善纖維素氣凝膠原有性能。

1、水淨化領域

 油水分(fēn)離(lí)

随着近海石油生(shēng)産和運輸的不斷增加，海上溢油事故日益頻(pín)發，大(dà)量的石油進入海洋，對環境造成嚴重污染。清理溢油成爲環境保護的重要舉措，對比物(wù)理、化學和生(shēng)物(wù)清油法，吸附法具有成本低、能耗低和操作簡單的優勢，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(shēng)和可生(shēng)物(wù)降解等優點，通過化學改性提高納米纖維素氣凝膠的疏水性和親油性，可提高對油的吸附能力，在處理海水油水分(fēn)離(lí)問題上應用潛力巨大(dà)。

吸附重金屬

重金屬因其不可生(shēng)物(wù)降解和在水中(zhōng)易積聚而對人類健康構成威脅，重金屬污染通常被認爲是最嚴重的污染之一(yī)。吸附法制備工(gōng)藝簡單、環保，成爲最常用的方法。納米纖維素基氣凝膠對重金屬的吸附能力主要取決于其活性位點和多孔結構，實驗證明經過改性的納米複合纖維素氣凝膠對重金屬具有強吸附力和降解能力，且在多次使用後仍能保持結構完整、不變形，是吸附重金屬的理想材料。

吸附染料

用于紡織品、紙(zhǐ)張、皮革和食品染色的染料是一(yī)類具有發色基團的水溶性高分(fēn)子有機化合物(wù)。廢水中(zhōng)的染料對水生(shēng)生(shēng)物(wù)有較大(dà)影響，其具有較強的螯合金屬離(lí)子傾向，會對魚和其他生(shēng)物(wù)産生(shēng)毒性且阻礙水生(shēng)植物(wù)的生(shēng)長，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(shāng)業價值。

2、生(shēng)物(wù)醫用材料

組織工(gōng)程

人體(tǐ)組織損傷或缺損往往會導緻功能性障礙，是人類健康面臨的重要疾病之一(yī)。根據組織工(gōng)程原理，可利用合成或天然材料代替生(shēng)物(wù)體(tǐ)缺失或缺損的組織器官。纖維素水凝膠由于其特定的結構和性能，成爲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(dà)的孔結構和三維空間，具有強吸水保水功能和出色的生(shēng)物(wù)相容性，以及與天然組織非常相似的柔韌性，其作爲組織器官，可爲體(tǐ)内活細胞提供生(shēng)存以及儲存養分(fēn)的空間。

傷口敷料

創傷敷料是一(yī)種治療皮膚損傷簡單有效的方法。水凝膠醫用敷料是一(yī)種新型的傷口敷料，其含水量可高達96%，因此能夠維持傷口表面的濕潤環境。傳統醫用無菌紗布在與抗生(shēng)素等藥物(wù)配合使用時，會造成傷口與包紮物(wù)發生(shēng)黏連，容易對傷口造成二次傷害。纖維素基水凝膠除了具有優異的生(shēng)物(wù)相容性和可降解性，還具有高含水量和柔軟性等特點，可以用作創面敷料材料，可減少病人傷口的疼痛，減少體(tǐ)液的流失，保護皮膚，防止感染，還可以讓傷口呼吸，防止結痂疤痕的形成，是理想的傷口敷料材料。

藥物(wù)釋放(fàng)

纖維素基水凝膠作爲一(yī)種新型的藥物(wù)緩釋載體(tǐ)，擁有交聯密度和孔徑可調控的多孔三維結構，具有開(kāi)放(fàng)的孔隙結構及較高的比表面積，藥物(wù)分(fēn)子可以負載在其中(zhōng)，并可通過調節外(wài)部環境條件得以釋放(fàng)，其在藥物(wù)控釋領域應用潛力巨大(dà)。

3、保溫隔熱材料

氣凝膠的熱傳導一(yī)般分(fēn)爲固體(tǐ)熱傳導、孔結構中(zhōng)的氣體(tǐ)熱傳導和輻射熱傳導。其傳熱性能又(yòu)與氣凝膠密度、孔徑分(fēn)布和表面結構密切相關。研究學者通過優化纖維素氣凝膠結構，制得低密度高比表面積的改性纖維素氣凝膠，其内部大(dà)量納米孔限制氣體(tǐ)分(fēn)子運動，從而大(dà)大(dà)降低導熱率，達到保溫隔熱的效果。

4、智能材料

纖維素基水凝膠因其整體(tǐ)的生(shēng)物(wù)相容性、細胞和小(xiǎo)分(fēn)子的高存儲容量以及凝膠 - 水溶液界面處的低界面張力而應用于智能設備的制造。基于纖維素的智能材料具有獨特的特性，比如強大(dà)的機械強度和生(shēng)物(wù)相容性等。纖維素與碳納米管制備的複合水凝膠，廣泛應用于導體(tǐ)、可穿戴電(diàn)子設備、結構健康監測、智能紡織品、液體(tǐ)洩漏的檢測、應變傳感器、熱敏電(diàn)阻、濕度或蒸汽傳感器、生(shēng)物(wù)傳感器、化學傳感器、電(diàn)池、能源儲存和超級電(diàn)容器等。水凝膠膜還可用作響應時間短的高靈敏度pH 響應納米傳感器。

(1)纖維素溶劑難以回收、成本高、改性方法複雜(zá)、煩瑣，因此需要開(kāi)發低成本、環保、高效且無毒的纖維素溶劑提高溶解效率，優化生(shēng)産技術實現大(dà)規模的工(gōng)業制備；

(2)纖維素氣凝膠的結構強度和穩定性能有待進一(yī)步提高，因此需要繼續探索物(wù)理混合或化學改性改善性能和穩定性；

(3) 尋找适用于不同種類纖維素氣凝膠的簡單、安全的凝膠幹燥方法；