“第三代氣凝膠材料”—纖維素氣凝膠

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”？

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。

1、水凈化領(lǐng)域

 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、能耗低和操作簡單的優(yōu)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。

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。吸附法制備工藝簡單、環(huán)保，成為最常用的方法。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(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。

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，會對魚和其他生物產(chǎn)生毒性且阻礙水生植物的生長，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業(yè)價(jià)值。

2、生物醫(yī)用材料

組織工程

人體組織損傷或缺損往往會導(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)胞提供生存以及儲存養(yǎng)分的空間。

傷口敷料

創(chuàng)傷敷料是一種治療皮膚損傷簡單有效的方法。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)，會造成傷口與包扎物發(fā)生黏連，容易對傷口造成二次傷害。纖維素基水凝膠除了具有優(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。

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。基于纖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、智能紡織品、液體泄漏的檢測、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、能源儲存和超級電容器等。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。

(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單、安全的凝膠干燥方法；