“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作用下形成空間網(wǎng)狀結構的彈性固體，其中，以氣體為分散介質的，我們稱之為氣凝膠；以水為分散介質的，則叫水凝膠。

氣凝膠其內部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年東華大學的納米纖維研究團隊發(fā)表的最新論文中提到：該團隊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)中國計量認證結果顯示，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“全碳氣凝膠”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重的環(huán)境和資源問題，推動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)絡結構等特點，是一種環(huán)境友好型多功能材料，可應用于吸附與分離材料、隔熱材料、生物醫(yī)學材料、儲能材料、金屬納米顆粒/金屬氧化物載體、催化等領域?；诶w維素氣凝膠在具備氣凝膠優(yōu)異性能的同時，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(如報紙、紙箱)等。纖維素氣凝膠根據(jù)纖維素制備來源和結構性質的不同，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，通過溶劑法、機械分散法和有機溶劑衍生物對其進行溶解和分散后，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、導熱系數(shù)低和尺寸穩(wěn)定性好等特點，根據(jù)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。

纖維素氣凝膠應用

1、水凈化領域

 1.1、油水分離

隨著近海石油生產(chǎn)和運輸?shù)牟粩嘣黾?，海上溢油事故日益頻發(fā)，大量的石油進入海洋，對環(huán)境造成嚴重污染。清理溢油成為環(huán)境保護的重要舉措，對比物理、化學和生物清油法，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，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，在處理海水油水分離問題上應用潛力巨大。

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人類健康構成威脅，重金屬污染通常被認為是最嚴重的污染之一。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和多孔結構，實驗證明經(jīng)過改性的納米復合纖維素氣凝膠對重金屬具有強吸附力和降解能力，且在多次使用后仍能保持結構完整、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)色基團的水溶性高分子有機化合物。廢水中的染料對水生生物有較大影響，其具有較強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導致功能性障礙，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構和性能，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構和三維空間，具有強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，可為體內活細胞提供生存以及儲存養(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，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，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。

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)密度和孔徑可調控的多孔三維結構，具有開放的孔隙結構及較高的比表面積，藥物分子可以負載在其中，并可通過調節(jié)外部環(huán)境條件得以釋放，其在藥物控釋領域應用潛力巨大。

3、保溫隔熱材料

氣凝膠的熱傳導一般分為固體熱傳導、孔結構中的氣體熱傳導和輻射熱傳導。其傳熱性能又與氣凝膠密度、孔徑分布和表面結構密切相關。研究學者通過優(yōu)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，其內部大量納米孔限制氣體分子運動，從而大大降低導熱率，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的生物相容性、細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，比如強大的機械強度和生物相容性等。纖維素與碳納米管制備的復合水凝膠，廣泛應用于導體、可穿戴電子設備、結構健康監(jiān)測、智能紡織品、液體泄漏的檢測、應變傳感器、熱敏電阻、濕度或蒸汽傳感器、生物傳感器、化學傳感器、電池、能源儲存和超級電容器等。水凝膠膜還可用作響應時間短的高靈敏度pH 響應納米傳感器。

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)技術實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)制備；
2. 纖維素氣凝膠的結構強度和穩(wěn)定性能有待進一步提高，因此需要繼續(xù)探索物理混合或化學改性改善性能和穩(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；