基于纤维素的气凝胶材料

纤维素是自然界中储量最为丰富的一种天然高分子。作为继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的第三代气凝胶,纤维素基气凝胶材料兼具绿色可再生的纤维素材料和多孔气凝胶材料两者的优点,成为纤维素材料研究与应用中的一个热点。本文梳理了纤维素基气凝胶材料的发展脉络,综述了纤维素基气凝胶材料的研究进展。重点对纤维素基气凝胶的制备方法进行了总结,包括基于含水溶剂和无水溶剂的纤维素直接溶解法及源自植物纤维素和细菌纤维素的纤维素纳米纤维的水相分散法。介绍了纤维素基气凝胶力学性能的提高和功能性开发的最新研究结果。最后对纤维素基气凝胶材料的发展前景和研究方向进行了展望。     

纤维素基智能凝胶的制备、结构及性能研究

纤维素是自然界中最丰富的生物质资源,因其具有可再生性、生物相容性、无毒、可降解等诸多特性,纤维素及其衍生物不仅广泛应用于传统的工业领域,而且在药物控释、组织工程、可穿戴设备材料等领域也有着广阔的应用前景。受到工程技术应用需求的驱动,以纤维素及其衍生物为基材的智能凝胶材料已成为目前的研究热点。作者系统研究了纤维素基智能凝胶材料的制备、结构及性能。主要内容如下： 1.制备了纤维素基气凝胶并对其进行疏水改性,研究了疏水改性后的纤维素气凝胶材料在水下吸附气体的能力,并设计了纤维素基智能捕集器,用于连续不断地吸附从海底释放的甲烷气体。 2.制备了TEMPO氧化的纳米纤维素纤维,并将其用于增强聚丙烯酰胺/明胶形状记忆水凝胶的力学性能;制备的复合水凝胶展示了较好的形状记忆行为,并且该水凝胶的形状记忆性能具有较好的可重复性。 3.利用羧甲基纤维素制备了对多种金属阳离子响应的形状记忆水凝胶;能够通过改变羧甲基纤维素与金属离子之间的交联密度,调节该水凝胶的力学性能。 4.将羧甲基纤维素钠与聚丙烯酸（PAA）复合制备出具有较优异机械性能和自修复性能的聚丙烯酸/羧甲基纤维素钠水凝胶。通过简单的浸泡法,将该复合水凝胶浸泡在氯化钠（NaCl）溶液中,可以促进CMC和PAA之间的链缠结,进一步提升其机械性能。此外,由于水凝胶的导离子性,制备的水凝胶具有良好的传导性能,有望实现在电子皮肤或可穿戴设备中的应用。     

利用离子液体制备纤维素基气凝胶

纤维素基气凝胶材料的研究在近年来吸引了人们极大的关注,这是因为这类新型材料具有通常无机气凝胶的典型结构特点,如超轻、高孔率、高比表面积等,同时具有天然生物质材料的原料丰富、可再生、可生物降解的优点。本文首先简要介绍了纤维素基气凝胶材料及其发展概况,进而主要介绍了以离子液体为溶剂制备再生纤维素基气凝胶的研究进展,包括纤维素基气凝胶的制备方法、结构及其功能性。最后对离子液体法制备的纤维素基气凝胶材料的前景进行了简要的展望。     

纳米纤维素的改性及其吸附重金属离子的应用研究

纳米纤维素材料(cellulose nanomaterials,CNs)作为一种可再生材料,具有比表面积大、高结晶度、高强度、高杨氏模量、高表面活性、化学性质稳定等优异性能。纤维素作为天然高分子材料,在清除水体重金属离子中具有较好的应用的价值,因此本文对纤维素的改性及其吸附重金属的应用进行了综述。首先简要地介绍了纳米纤维素的结构与命名方法;其次,对纳米纤维素的改性(即小分子改性与高分子改性)进行了详细的介绍,并重点阐述了改性纳米纤维素基材以粉末、凝胶(包括水凝胶与气凝胶)两种不同的形态通过吸附清除水体重金属离子的应用研究。最后,对改性纳米纤维素基水吸附材料存在的优缺点进行了探讨,并指出了该材料在生产和应用过程中还需解决的问题。     

纤维素基气凝胶型吸油材料的研究进展

近年来,开发"绿色"、可回收的高效吸油材料吸引了国内外学者的广泛关注.纤维素基气凝胶兼具多孔气凝胶型材料比表面积大、孔隙率高的特点以及纤维素材料天然、可再生的优势,对其进行表面疏水化处理后,是一种极具发展潜力的环保型吸油材料.本文分别系统综述了再生纤维素基气凝胶型、天然纤维素基气凝胶型及细菌纤维素基气凝胶型吸油材料的研究进展,并对它们的制备方法和吸油性能进行了归纳总结,最后讨论了当前纤维素基气凝胶型吸油材料研究中存在的问题和今后的研究方向.     

具有环境响应性的纤维素基水凝胶

随着对可再生资源开发利用的逐渐重视,基于纤维素环境响应型水凝胶结构设计及其响应性能的研究备受关注.环境响应纤维素基水凝胶不仅具有良好的生物相容性和生物可降解性,还表现出对环境因素特定的检出识别能力及明显响应性,拓展了水凝胶材料在生物医用、仿生智能材料等领域的应用.本综述首先从环境响应型纤维素水凝胶材料的结构设计出发,以交联方式分类简要介绍了纤维素基水凝胶的合成方法,具体包括物理交联、化学交联和其他交联方式等.接着,从水凝胶功能性入手,重点介绍了以一种或多种化学信号、物理信号为刺激源响应的纤维素基水凝胶材料;并以药物载体、形状记忆材料和伤口敷料等方面研究成果为例,阐述了环境响应型纤维素基水凝胶的相关应用,以及其在智能软体机器人和环保生物传感器等领域的巨大应用潜力.     

微纳米纤维素功能膜在能源与环境领域的应用

探寻绿色清洁的资源与材料以维持高效的社会经济增长是未来数十年人们面临的最大挑战之一. 可持续资源与绿色材料的开发是降低传统化石能源与材料比重的最有前途的方案. 纤维素作为一种可持续发展、 可生物再生、 储量丰富且低成本的天然高分子聚合物, 在众多领域中具有广泛的应用, 并且纤维素可以加工成各种构型, 包括气凝胶、 泡沫、 海绵和薄膜等. 本文介绍了不同形态的纤维素及其衍生物组装而成的功能膜在能源与环境中的应用, 综述了微纳米纤维素及其衍生物在先进功能化储能器件方面的最新进展和制备方案, 以及在用于水处理的膜分离技术中的应用, 其中重点讨论了微纳米纤维素及其衍生物功能膜在电池、 电容器及水处理等领域中的作用, 如隔膜、 柔性电极膜和分离膜等. 此外, 还对纤维素及其衍生物功能膜的未来发展进行了总结和展望.     

纤维素基功能材料的研究进展

纤维素是自然界中最为丰富的可再生天然高分子材料,价格低廉,可生物降解,是最有潜力的绿色材料之一。纤维素分子链上含有大量羟基,形成分子间与分子内强烈的氢键网络,使得纤维素难于溶解在普通的溶剂中,难于加工,极大地限制了它的广泛应用。本文从纤维素的衍生物、接枝共聚物及凝胶的制备三方面,介绍了纤维素基功能材料的研究进展情况。通过化学改性的方法,减弱了纤维素分子间的氢键作用,得到结构与功能多样的纤维素材料,拓宽了纤维素的应用领域。     

纤维素/海藻酸钠复合气凝胶的表面功能化与仿生矿化

通过高碘酸钠和亚氯酸钠的2次氧化法,对纤维素/海藻酸钠复合气凝胶进行表面氧化改性,将纤维素和海藻酸钠表面C2和C3位置的羟基氧化为羧基,有效地提高了复合气凝胶的矿化能力。通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、体外细胞毒性测试等对羧基化改性前后在复合气凝胶支架上的沉积物进行表征。结果表明,改性后复合气凝胶表面的磷灰石形成速率更快,晶粒更小,沉积层更均匀;改性复合气凝胶表面的羧基具有更强的Ca2+结合能力,可以诱导Ca2+吸附在气凝胶表面,使矿化能力提高。同时,小鼠成纤维细胞实验表明,矿化后的复合气凝胶无毒性,可以促进细胞生长和分化,是性能良好的骨组织工程材料。     

氧化物气凝胶高温红外改性研究

氧化物气凝胶是一类具有超低热导率的新型纳米多孔材料,在航空航天等高温隔热领域具有广阔的应用前景。然而目前常见的氧化硅、氧化铝等氧化物气凝胶受材料/结构单元固有性质的限制,其通常具有红外透明性,而高温下辐射传热占据主导地位,大量红外辐射会透过气凝胶,热导率急剧攀升,导致其高温隔热性能较差,因此需要对其进行高温红外改性,从而满足更高的隔热性能需求。本文综述了近年来添加遮光剂、纤维及调整气凝胶的结构/形貌在提高氧化物气凝胶高温隔热性能方面的研究进展,并对未来研究方向进行展望。     

纤维素的功能化

综述近年来纤维素功能化和功能材料的发展情况,介绍了通过化学改性、特殊物理加工、表面改性等获得纤维素功能的功能的各种功能化的主最新的功能设计思路,并介绍了纤维素功能材料的应用,未来潜在的应用领域和发展前景。     

超低密度气凝胶的制备及应用

超低密度气凝胶是一类具有超轻质特性的多孔固体材料,较常规气凝胶具有更高的孔隙率与更为多样化的表面特性,其独特的物理与化学性质使其作为新型纳米多孔材料在诸多新兴领域得到了重要应用。在制备过程中保留超低密度气凝胶高度发达的三维孔隙结构,以及在实际应用中发挥超低密度气凝胶独特的功能特性是气凝胶领域近年来的研究重点之一。本文按照超低密度气凝胶的主要类型综述了该材料制备技术的最新研究进展,探讨了其在空间探测、阻燃隔热、储能、吸附、催化以及传感领域的应用方式;通过分析目前研究中存在的主要问题,对未来的发展方向,如突破常压干燥制备技术、开展各类复合气凝胶或结构有序可控的超低密度气凝胶的制备、系统性地研究超轻质特性对气凝胶特定功能的影响规律等进行了展望。     

水凝胶功能改性研究与应用进展

水凝胶是一种三维网状亲水性高分子软材料,具有良好的固体力学和液体热力学性能,其自身柔软、可塑性强、生物相容性好,具有可降解性和刺激性响应特征。但传统方法制备的水凝胶有诸多缺陷,如有毒性、生物活性低、机械性能差等,使得其应用受限。本文综述了近10年来功能水凝胶制备与改性的主要研究进展及其应用现状,以多吸收位点和高机械强度等性能为主,重点阐述了国内外功能性水凝胶的最新制备方法,包括物理改性中的低分子复合材料交联与构建多重网络和化学改性中的接枝共聚等。详细介绍了该类功能材料在医药、生物、农业和食品等方面的应用现状与发展前景,特别关注了高效短时对外界环境微小变化具有响性的智能印迹水凝胶及其在检测领域的应用,为水凝胶的进一步开发和推广应用提供参考。     

用于锂离子电池的阻燃型纤维素基复合气凝胶膜

以离子液体为溶剂,制备了纤维素水凝胶,进而通过"溶胶-凝胶"过程在纤维素凝胶中原位生成勃姆石(AlOOH),并经超临界二氧化碳干燥制得了纤维素/AlOOH复合气凝胶膜.所形成的纳米纤维状AlOOH相互搭接形成了网络结构,使复合气凝胶膜的微观形貌更加致密、孔结构更加均匀.AlOOH的引入赋予了纤维素材料优异的阻燃性能.相对于高温易软化的商用聚丙烯隔膜,纤维素/AlOOH复合气凝胶膜在150°C下30 min无尺寸变化,具有更好的高温尺寸稳定性.纤维素/AlOOH复合气凝胶膜具有优异的电解液亲和性,吸液率为350%,离子电导率为3.1 mS/cm,以纤维素/AlOOH复合气凝胶膜组装的锂电池表现出了更好的电化学稳定性,并且经过100次循环测试后,容量保持率为90.2%,在4 C/4 C的高倍率充放电测试中放电比容量为80.7 mA h g-1,均优于商用聚丙烯隔膜.由于同时具备了优异的耐高温与阻燃性能和良好的电化学性能,这类新型的纤维素基复合气凝胶膜在高性能锂离子电池领域具有潜在的应用.     

羧甲基纤维素基复合水凝胶的研究及应用进展

羧甲基纤维素(CMC)水凝胶是一种具有亲水性的天然三维聚合物材料,具有高吸水性,因此以羧甲基纤维素钠制备的水凝胶安全无毒可生物降解,被广泛应用于医药、食品、农业和环境等领域,作为保鲜材料、抗菌材料、生物传感器、药物输送系统和去除重金属的吸附剂。本文按CMC复合水凝胶材料来源的不同,分类综述了大分子/CMC水凝胶、单体/CMC水凝胶和无机物/CMC水凝胶的研究进展、功能特性以及应用领域,为羧甲基纤维素复合水凝胶的研究提供一定的思路和理论依据。总结此方向研究中不同材料对羧甲基纤维素复合水凝胶性能的提升情况,同时对羧甲基纤维素水凝胶的应用前景进行了展望。     

氧化纤维素增强胶原水凝胶

对纤维素进行氧化,得到醛基化的氧化纤维素,将其作为大分子交联剂制备了氧化纤维素改性胶原水凝胶.通过扫描电镜、力学性能及流变学测试,对改性胶原水凝胶的结构和性能进行了表征.研究结果表明,与纯胶原水凝胶相比,氧化纤维素改性胶原水凝胶的力学性能和热稳定性都得到了明显改善,其压缩破坏强度比纯胶原水凝胶提高了1个数量级以上.此外,氧化纤维素的引入,并未出现一般化学交联剂改性所带来的细胞毒性,并保持了胶原水凝胶良好的生物相容性.为改性胶原水凝胶在组织工程材料领域的应用提供依据.     

可注射的壳聚糖水凝胶的制备及应用进展

可注射的水凝胶由于其独特的性质在生物医学领域中备受关注。壳聚糖是自然界中唯一的一种阳离子多糖,具有含量丰富、价格低廉、生物相容性和生物可降解性良好等优点,经常被用来制备可注射的水凝胶。近年来,随着研究的进一步深入,通过采用各种化学或物理改性和修饰方法、引入各种生物功能分子或采用各种交联方法,具有优异性能的可注射的壳聚糖水凝胶不断涌现,其应用范围不断扩展,在实际应用中发挥了越来越重要的作用。本文主要介绍了常见的化学交联的和物理交联的可注射的壳聚糖水凝胶的制备方法,综述了其在药物载体、基因载体、细胞支架和伤口修复等生物医学领域中的应用进展,对其存在的问题及发展趋势进行了分析和展望,为可注射的壳聚糖水凝胶的进一步发展提供指导和借鉴。     

甘蔗渣纤维素的改性及应用进展

甘蔗渣纤维素是一种环保的绿色高分子材料、具有可再生性,对其进行高效改性应用范围越来越广泛。文章介绍了甘蔗渣纤维素的结构和性质,综述了化学改性甘蔗渣纤维素的研究进展,包括甘蔗渣纤维素醚类反应、酯类反应、接枝共聚物以及其均相改性方法。概述了改性甘蔗渣纤维素作为吸附剂、复合材料及其他功能材料研究应用现状,并展望了改性甘蔗渣的发展前景。     

以细菌纤维素为前驱体简便制备氮掺杂碳纤维气凝胶作为高效氧还原催化剂

数十年来,碳气凝胶因其在催化剂载体、电容器和锂电池电极材料以及吸附剂等领域的潜在应用而备受关注.然而,传统碳气凝胶的制备往往使用昂贵且有毒的前驱体,其方法也较为复杂,不利于大规模生产及应用.本文介绍了一种以细菌纤维素为前驱体制备氮掺杂碳纤维气凝胶的方法.该方法廉价高效,简单易行且对环境无害.所制气凝胶具有密度低、孔隙度高、比表面积大以及导电性良好等优点.它继承了细菌纤维素生物质优异的三维交联多孔结构的特点,可直接用作氧还原催化剂,表现出优异的催化性能,预示着其广泛的应用前景.这在该领域的应用报道尚属首次.     

以纤维素/AmimCl溶液制备纤维素气凝胶

利用离子液体AmimCl溶解结合超临界CO2干燥的方法制备了纤维素气凝胶材料.研究了不同初始浓度的纤维素溶液及其在不同凝固浴中制备的纤维素凝胶的流变行为,进一步考察了纤维素溶液浓度和凝固浴种类对纤维素气凝胶材料结构的影响.结果表明,随着初始纤维素溶液浓度的增大,气凝胶的孔结构逐渐致密,比表面积随之减小;凝固浴的组成对纤维素气凝胶的结构也有较大影响.采用适当的制备条件,可以制备出高比表面积的纤维素气凝胶材料.对纤维素气凝胶的热性能进行了表征,结果表明所得到的气凝胶材料具有较好的热稳定性和较高的炭残余含量.