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.     

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。     

气凝胶维度结构设计与功能化应用的研究进展

气凝胶是一类兼具重要科学研究意义和巨大工程化应用价值的纳米多孔材料,其制备过程涉及溶胶-凝胶化学转变、结构调控、界面张力消除等基础科学问题,在理化性能方面同时具有超低密度和超低热导率特性,是一类理想的轻量化超级隔热保温材料,在航空航天、交通运输等对重量要求严苛的应用领域极具吸引力.此外,得益于气凝胶的高比表面积、高孔隙率、连续开孔等结构特征,其在吸附、催化、药物载体、能源和环境修复等领域也具有重要应用潜力.因此,近年来气凝胶及其应用获得国内外学术和产业界的极大研究兴趣.本综述调研了自气凝胶首次报道以来相关文献与知识产权的概况,而后以制备方法、气凝胶种类、维度结构设计、新型应用为轴,系统概括了气凝胶的制备方法,新型气凝胶的种类,以维度为特色的气凝胶材料,以及气凝胶的独特应用.如近五年来涌现的新型超分子气凝胶、智能响应气凝胶、气凝胶纤维、气凝胶的增材制造等,都在一定程度上颠覆了传统材料、突破了传统制备方法的局限.最后对气凝胶近年来的发展做了简要总结和展望.     

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.     

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℃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.     

磷酸钙在凝胶体系中的仿生矿化研究

通过模拟牙釉质的生物矿化过程,在琼脂凝胶体系中研究两种磷酸钙晶体—磷酸八钙(Ca8H2(PO4)6.5H2O,OCP)和羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HAP)的矿化过程:分别研究了不同pH值(pH=6.5,7.0,7.5)条件下以及添加I型胶原蛋白的凝胶体系中矿化所形成的磷酸钙晶体的组成和形貌。在凝胶体系中,当pH=6.5时主要形成OCP,形貌为较大尺寸的片状;pH=7.0,则形成了较短片状OCP与针状HAP的混晶;pH=7.5,则主要形成针状形貌的HAP。此外,当添加Ⅰ型胶原蛋白后,在pH=6.5时则主要形成较大尺寸的片状HAP,且互相平行排列成束。由实验结果可知:pH对凝胶体系中仿生合成的磷酸钙晶体的组成和形貌具有一定的调控作用,而Ⅰ型胶原蛋白则有利于诱导形成片状HAP晶体并且使之排列呈束状,其结构类似牙釉质晶体。     

凝胶介质中仿生矿化过程的研究*

本文综述了凝胶介质中仿生矿化过程的研究进展。仿生矿化是当前化学、生物学和材料科学的研究前沿和热点。近年来,越来越多的生物学证据表明：生物体中的蛋白质和多糖等生物大分子,往往通过超分子组装形成凝胶状基质网络,进而对生物矿化过程施加影响。因此,凝胶介质中的仿生矿化研究对深入了解生物矿化机理,以及从理论上指导先进功能材料的设计和合成具有重要意义。迄今为止,研究人员已经对天然和合成高分子凝胶、超分子水凝胶和无机凝胶等多种凝胶介质中的仿生矿化过程进行了研究。结果表明：凝胶介质主要通过其三维网络结构限制反应离子在其内部的扩散速率,并掺杂到无机矿物的晶体结构中,从而影响生成晶体的形貌和构造。而且在有机基质(如水溶性有机高分子和自组装单层等)的协同作用下,凝胶介质中的仿生矿化过程也呈现出与水溶液中不同的特点。此外,本文还介绍了当前对凝胶介质中矿物形貌的调控和矿化机理的几种不同观点,并对该领域未来的研究和应用进行了展望。     

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。     

碳纳米管/壳聚糖复合微球的原位仿生矿化及表征

对碳纳米管(CNTs)进行酸化处理, 采用乳化交联法制备CNTs/壳聚糖(CS)复合微球, 在其表面诱导羟基磷灰石仿生合成, 研究了CNTs对复合微球仿生矿化的影响, 并与纯CS微球的仿生矿化进行了对比. 利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射仪(XRD)、 溶胀率和含水率测试等考察了复合微球矿化前后的形貌特征、 物相结构及稳定性. 结果表明, 在相同时间下, CNTs/CS复合微球表面纳米羟基磷灰石的形成能力明显优于纯CS微球, 且形态稳定性更高. 细胞实验结果表明, 与MG63细胞共培养7 d时, 矿化复合微球细胞增殖明显.     

仿生矿化与硬组织修复

生物矿化(Biomineralization)是生物硬组织(软体动物的外壳,脊椎动物的骨和牙等)形成的重要环节,是生物体调控矿物沉积,并利用矿物增强硬组织机能的重要生物策略。生物矿化所形成的生物矿物具有多级有序的结构、优异的机械性能和重要的生理功能,启发了有机-无机复合生物材料的设计和仿生矿化制备,为体内外硬组织修复提供研究思路和奠定材料基础。本文主要综述了生物矿化的基本原理和主要生物矿物,矿物结晶原理和新认识,与硬组织修复密切相关的胶原矿化机制和最新进展,硬组织材料的多级结构特征,以及仿生矿化在硬组织修复中的前沿进展。     

胶原矿化与仿生修复

脊椎动物硬组织（牙和骨）是通过生命系统的矿化过程形成的,其中矿化胶原是这些生物材料的基本结构单元。矿化胶原是由胶原分子与纳米磷酸钙矿物形成的有机-无机复合材料,其所特有的纳米有序多级结构赋予了生物硬组织材料优异的机械性能（如硬度和韧性）。该结构特性和矿化过程可为新型硬组织修复材料制备提供有益的启示。其中,胶原纤维内有序矿化是仿生重构的难点,也是开展硬组织修复的关键。本文综述了骨的分层结构特征、胶原分子的组装和矿化胶原的多级结构特点,胶原分子和非胶原蛋白与磷酸钙材料的相互作用,功能调控分子对胶原和矿物的界面修饰,以及胶原矿化技术在硬组织修复中的应用;指出了目前胶原矿化亟须解决的一些关键问题,如调控无定形矿物进入胶原纤维、胶原矿化速度和程度,大规模有序胶原纤维制备等。     

二氧化硅的仿生矿化

自然界的进化赋予某些生物体在生理条件下制备复杂结构生物矿物的能力。它们复杂而多尺度有序的结构、特殊的功能以及物种特异的遗传控制特征远非当前的人工合成技术所能实现,因此,师法自然,仿生矿化成为先进材料制备的重要手段之一。研究发现,生物体中的有机基质在生物矿物的形成过程中起着至关重要的作用,例如从含有生物二氧化硅的硅藻、海绵骨针中分离得到的silaffins、长链聚胺,从海绵中提取的silicateins等,这些生物分子通过操纵有机-无机界面作用,从分子水平上控制无机矿物的成核与生长,从而使生物矿物具有特殊的分级结构和组装方式。人们设计或选用具有相似结构或功能的有机分子,模拟生物矿化过程,仿生制备了不同形态、结构和功能的二氧化硅纳米材料。本文以有机-无机界面作用为核心,以认识自然、学习自然、矿物合成及构型调控为主线,从生物二氧化硅的形成机制、仿生矿化的研究进展、应用概况进行了评述,指出了当前研究存在的问题及相应的解决思路,并对仿生矿化的前景进行了展望。     

海藻酸钠/IPDI凝胶微球的制备与性能

离子吸附剂;海藻酸钠/IPDI凝胶微球的制备与性能     

石质文物表面生物矿化保护材料的仿生制备

许多濒危石质文物急需进行保护处理. 但是, 调查表明已经使用过的表面防护材料很难令人满意, 探索新的石质文物保护材料已是当务之急. 本工作以石质文物表面天然生成的生物矿化膜为仿生合成目标, 依据生物矿化的原理, 以硫酸软骨素作为有机模板, 草酸钙的亚稳过饱和溶液作为无机前驱物, 室温下在石材表面仿生合成了主要成分为一水草酸钙的无机表面保护材料. 其制备工艺用正交试验进行了优化; 结构和形貌用X射线衍射分析仪和原子力显微镜进行了表征; 通过憎水性、耐污性和耐酸性试验进行了合成膜的保护性能测试, 效果良好. 本方法为开拓新的石质文物保护材料提供了思路.     

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。     

聚丙烯/碳酸钙复合无纺布的仿生矿化制备及其在油水分离中的应用

基于仿生矿化中的基质媒介原则,通过交替浸渍矿化过程(alternating soaking process,ASP)制备了表面负载均匀碳酸钙矿物涂层的聚丙烯无纺布有机/无机复合膜.静/动态水下油接触角测试结果表明,矿化膜具有很强的锁水能力,可将水分子吸附在膜表面形成稳定斥油界面,从而对二氯乙烷、正十六烷、石油醚、汽油、柴油等常用油均表现出超疏油(CA>150°)和低油滴黏附(SA<5°)性质.同时无纺布具有三维孔洞相互贯通的独特结构和高孔隙率,使得矿化膜表现出过膜压力低(油水乳液自身重力驱动)和油临界击穿压力高(>10 kPa)的特性.模型油水乳液分离效果实验发现矿化膜对尺寸在2μm以上的乳液油滴有较好的截留作用,可望应用于一些实际工业含油废水的处理.     

快速制备高掺杂CuO/SiO2复合气凝胶

通过环氧丙烷预反应法, 以乙腈为溶剂快速制备了高掺杂的氧化铜/二氧化硅复合气凝胶. 在典型的合成过程中, 将正硅酸甲酯(TMOS)、乙腈、去离子水和环氧丙烷混合进行预反应, 然后将该溶液与氯化铜的乙腈-水溶液混合并添加环氧丙烷, 在35℃烘箱中静置0.5 h 后转化为湿凝胶, 再经过CO₂超临界流体干燥和热处理即可获得黑色块状CuO/SiO₂复合气凝胶. 最终气凝胶样品密度约为180 mg·cm^-3, 比表面积高达625 m2·g^-1, 平均掺杂比为19.91%±2.42% (Cu:Si 摩尔比), 压缩模量为1.639 MPa, 具有成型性好、分散均匀等优点,是良好的背光源靶材料. 本论文还通过对比实验对凝胶化过程的机理进行分析, 结果表明, 通过改变溶剂和采用环氧丙烷预催化均衡了两种不同前驱体的反应速率, 实现了共凝胶的目的. 此外, 该方法还有望为其它金属氧化物/二氧化硅复合气凝胶的制备提供新思路.     

纤维素基气凝胶的制备及功能材料构建

气凝胶是将凝胶中的溶剂或水分被除去后,其空间网状结构的介质变为气体,外表呈固体状的一类材料。它们具有超低密度、均一纳米级孔径、高孔隙率和高比表面积的特性,同时又融入了自身优异性能,是一类具有广阔发展前景的功能材料。纤维素作为地球上储量最大的多糖大分子,具有安全、稳定、无毒、可生物降解等优点。以纤维素为基体的气凝胶除具备传统气凝胶的结构特征和优势外,通过结构设计或复合改性可构建为各种高性能材料。本文主要介绍近年来纤维素基气凝胶的制备方法及各种功能改性。着眼催化、电磁、隔热、医用、分离纯化等方面的应用,综述纤维素基气凝胶的构建及最新研究进展,并针对纤维素基气凝胶在材料构建中的问题及应用前景进行了展望。     

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.     

增强体复合SiO2气凝胶的研究进展

SiO_2气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料,在声学、光学、热学、电学等领域有着广阔的应用前景,但是脆弱的力学性能严重限制了其实际应用。目前,在SiO_2气凝胶中引入增强体是改善其力学性能最为有效的方法,常用的增强体根据类别可分为纤维、聚合物、纳米材料等。本文综述了增强体复合SiO_2气凝胶的最新研究进展,对复合气凝胶的制备方法、增强机理进行分析并对未来提高气凝胶力学性能的方法发展重点进行了展望。