纤维素气凝胶的制备与应用进展

纤维素气凝胶的制备与应用进展

曾宇婷

贵州航天乌江机电设备有限责任公司563000

【摘要】气凝胶作为当下工业研究的重点，在纤维素气凝胶的制备与应用方面已经取得了一定的研究成果，文章对纤维素气凝胶的分类及制备进行了论述，对纤维素气凝胶在各行业中应用同样作出探讨，并对纤维素气凝胶的发展前景进行展望，希望能对各行业提供参考。

【关键词】纤维素气凝胶制备过程行业应用前景展望

气凝胶隶属于一种气体，其质量较轻，用气体代替传统凝胶当中的液体但其自身结构却没有发生改变，气凝胶是水凝胶干燥之后的产物。气凝胶具有纳米级别的多孔结构且孔隙较多，是现下所探索领域中密度最小的固体材料之一，在对气凝胶进行研究探索后，各类型的气凝胶及其制备方式得到了广泛关注且取得了一定的成果。纤维度属于高分子材料，纤维素气凝胶是将纤维素溶解，利用其溶液制备各种纤维素气凝胶，纤维素气凝胶在使用上超越了传统的硅气凝胶，在使用中具备良好的再生性及稳定性，在各行业中已经广泛应用。

一、纤维素气凝胶的分类及制备

1.1细菌纤维素气凝胶制备

细菌纤维素属于可再生纤维素，相较于职务纤维素细菌纤维素具有更高的纯度与分子含量。在对细菌纤维素的研究当中中国科学技术大学课题组取得了一定的研究成果，课题研究组从细菌纤维素中探索出了碳纳米纤维气凝胶的制备方法。细菌纤维素气凝胶能够很好的吸附有机溶剂，对吸附性能来讲远超传统的碳纳米气凝胶，且从回收利用的角度来讲同样具有良好的回收性能，在工业中细菌纤维素气凝胶常常被用以吸附剂使用。

另外，细菌纤维素气凝胶的制备还有另外一种方式，通过渗透溶胶、凝胶以及冷冻技术实现，将催化剂渗透到细菌纤维素气凝胶中，促使其自身结构发生变化形成网络状微观架构，网络状微观架构具有良好的力学性能，能够产生较强的抗压能力，且网络状架构有利于水的传导，具有良好的疏水性与吸油能力。

1.2再生纤维素气凝胶制备

再生纤维素气凝胶顾名思义是将纤维素进行溶解，进而进行气凝胶的制备，在再生纤维素气凝胶领域，此种制备方式已经有了较为成熟的制备工艺。再生纤维素气凝胶的制备如下，将纤维素在溶剂中进行溶解，形成纤维素凝胶，在此基础上进行二次溶剂再生，使其内部结构发生变化，形成纤维素水凝胶。在得到纤维素水凝胶后对其进行干燥处理，以此得到再生纤维素气凝胶。此种气凝胶的制备方式为最简洁的制备方式，除此之外再生纤维素气凝胶具有其他的制备方式。

低温溶解纤维素是21世纪初期所提出的关于气凝胶的制备方式，其制备可以通过氢氧化钠、尿素、水体系所制备，属于一项专利制备方式。以氢氧化钠液体制备为例，纤维在氢氧化钠溶液中会出现化学反应，产生带负负电荷离子的碱纤维素，基于此在与钠离子相结合时，由于钠离子水化严重导致纤维素分子内部含有大量的水分子，进而纤维素会产生一定的化学作用，纤维素的剧烈溶胀而削弱纤维素无定形区大分子间的结合力，但不能完全克服晶区大分子间所有的结合力，因此纤维素在氢氧化钠溶液中不能发生溶解。在此基础上加入尿素，由于尿素对纤维素有着较大的溶解能力，从而可以减弱纤维素晶区大分子间的结合力，进而实现对纤维素的溶解。此种制备工艺流程简单，原材料耗费较少，且部分原料可进行回收利用，作为专利性质的制备工艺，其具有绿色环保等理念。

1.3纳米纤维素气凝胶制备

纳米纤维素气凝胶相较于其他类型的纤维素气凝胶具有更高的结晶度与纵横比，纳米纤维素是通过化学反应过程从纯纤维素中获取的，纳米纤维素在水中有较强的稳定性，由纳米纤维素所制备而成的气凝胶同样具有的一定程度的柔韧性与抗压性。纳米纤维素的制备是在外力作用下对纤维素晶区的破坏，其破坏原理是通过对纤维素氢键的破坏分离纤维束，基于此使纤维素的直径发生变化，适用于纳米体积。

纳米纤维素气凝胶的制备是利用纳米纤维素悬浮技术进行的冷冻干燥，通过多次的冷冻干燥，使其密度、孔隙发生改变，获取所需要的气凝胶类型。但是在冷冻的过程当中纳米纤维会出现聚集现象，为缓解这一现象要在冷冻步骤之前用叔丁醇进行溶剂交换，将纳米纤维素悬浮液转换成水凝胶，以此进行冷冻干燥过程获取气凝胶。纳米纤维素气凝胶与二氧化硅所制成的气凝胶相比，具有更强的柔韧性与延展性。

煅烧法制备方式同样可以获取纳米纤维素气凝胶。以天然纳米纤维素气凝胶作为模板，首先制备原子层沉积的无机纳米气凝胶，在此基础上利用煅烧技术去除天然纳米纤维素气凝胶模板，进而使用干燥方法制备纳米纤维素气凝胶。在使用干燥方法制备气凝胶时，由于干燥制备方式具有多样性，因此在具体的制备过程当中，制备人员要结合实际的效用选择相符合的干燥方式。

1.4纤维素衍生物气凝胶

纤维素属于多糖结构，其中葡萄糖单元属于多环结构，作为刚性分子链其具有高度规整的结构。由于萄萄糖基环的特性，纤维素可以发生多种衍生反应，产生一系列的衍生物。其中最具代表性的是纤维素醋或纤维素醚衍生物，经过醋化或醚化反应获得。用纤维素制备的纤维素衍生物，其结构和性能多变，在相关领域内关注度较高。

峻甲纤维素与微晶纤维素所制备的再生纤维素气凝胶在架构与性能方面具有很大的不同。在对气凝胶的制备过程中，微晶纤维素需要在温度为60℃的水中处理4个小时，进而在此利用甲醇浴作用，才能制备出再生气凝胶；而峻甲纤维素自身具备缔合作用，可直接溶解获取气凝胶，两者相比微晶纤维素的制备过程较为繁琐且用时较长。

二、纤维素气凝胶的应用

随着对纤维素气凝胶制备方式研究的深入，纤维素气凝胶在行业中得到了较快的发展，各工业体系中有着广泛的应用，其中对纤维素隔热领域的研究最为突出，在分离吸附、电学等各行业领域中也都有应用。

2.1隔热领域

纤维素气凝胶在隔热领域中的研究十分突出，其主要应用于航天材料的研究中，众所周知航空航天领域所使用的材料必须具有耐高温、耐腐蚀等高性能要求，纤维素气凝胶在满足其高性能要求的同时具备了轻巧性、低密度性等优良特性，因此纤维素气凝胶在航空航天等隔热领域的应用较为普遍。

2.2分离吸附领域

上文当中提到，纤维素气凝胶能够很好对水油进行分离，因此纤维素气凝胶在分离吸附领域的应用较多，不仅能够对气凝胶表面进行硅烷化改性处理还能利用交联剂炼出亲水疏油气凝胶。气凝胶在分离吸附中领域中伴随所应用场景的不同，其制备方式也存在多样性，但殊途同归所制备出的气凝胶都能具备良好的分离吸附特性。

2.3电学领域

纤维素气凝胶在电学领域中的使用主要是进行导电，气凝胶的密度较低，通过特殊的制备方式能够制备出高导电性的复合材料。传统的电力材料为碳纳米管与石墨烯基复合材料，相较于传统的电学材料，纤维素气凝胶具有更高的导电性，现下纤维素气凝胶在电学领域的发展已经较为广泛。

三、发展前景

纤维素气凝胶作为一种可持续发展的纳米材料，可作为活性物载体，也可以作为模板材料制备含纳米金属粒子的复合气凝胶。现在气凝胶作为一种超轻材料正逐步走入人们的生活中。虽然纤维素气凝胶还未实现工业化生产，但纤维素来源丰富，可降解再生，随着研究的深入，制备工艺日益简单，具有独特的光学、热学性质以及机械性能，将会在材料科学领域独树一帜，得到广泛的应用。

【参考文献】

[1]乐弦,章婷,贾欢欢,李华鑫,向军辉.气凝胶材料的发展趋势与应用前景[J].工程研究-跨学科视野中的工程.2017(06)

[2]章婷,赵春林,乐弦,贾欢欢,向军辉.气凝胶研究进展[J].现代技术陶瓷.2018(01)

[3]刘双,张洋,江华,王晓宇,姚远.纤维素气凝胶干燥方法的研究进展[J].纤维素科学与技术.2017(01)