纤维素气凝胶的研究和开发

摘要随着环境的日益恶化以及化石能源的匮乏，为了减缓二氧化碳引起的温室效应及分离能源气体中的杂气（二氧化碳），二氧化碳的捕集与分离已经成为当今研究热点。

纳米纤维素具有比表面积大、机械强度高、可再生等优异性能，结合纳米材料和生物质材料的优势，利用纳米纤维素表面丰富的羟基基团制备绿色再生的高性能二氧化碳吸附剂具有重要研究意义。

本文采用化学和机械方法，以微晶纤维素和纸浆为原料，制备纳米纤维素晶体和纤丝，并对其形态及理化性质进行分析；将纳米纤维素悬浮液经悬浮滴定、叔丁醇置换和冷冻干燥等工艺制备纳米纤维素气凝胶，对比分析纳米纤维素晶体和纤丝制备气凝胶的特性变化规律；通过水浴加热处理将氨基硅烷改性剂接枝到纤维素链上，制得氨基功能化纳米纤维素气凝胶，测试其对二氧化碳吸附性能及对甲烷/二氧化碳混合气体的选择吸附能力，得出主要结论如下：（1）微晶纤维素经硫酸水解制备纳米纤维素晶体（CNC），呈短棒状，直径范围20-40nm，长度范围多在200-400nm，在强酸的作用下，部分表面的极性基团可能被取代，产生纤维素酯；纸浆经化学预处理结合机械研磨制备纳米纤维素纤丝（CNF），呈现长纤丝状，易团聚不易区分，直径范围50-70nm，长度范围多在1-2μm。

CNC和CNF的基本化学结构仍为纤维素Iβ型，结晶度都相较原料有不同程度的升高。

（2）以不同比例混合的CNC和CNF悬浮液为原料，经凝胶干燥得到纳米纤维素气凝胶。

通过分析表明：气凝胶内部呈现不规则的三维网络结构，N2吸脱附曲线均为Ⅳ型，且具有H1型滞留环；随着混合体系中CNF的增多，气凝胶形态由近似“球形”趋于近似“米粒状”，平均直径也随之升高。

当混合比为CNC:CNF=1:3时，气凝胶表现出比其他混合组份更优的性能，内部孔结构更加均匀，孔隙更加丰富，比表面积和压缩强度均最大。

（3）红外谱图上新吸收峰（NH2、NH、Si-O、Si-C等）的出现，以及X-射线光电子能谱上N、Si峰的出现可以证明：在纤维素链上成功接枝了氨基硅烷（AEAPMDS）。

纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备与性能研究一、本文概述纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料作为一种新兴的纳米材料，近年来受到了广泛的关注和研究。

这种材料结合了纤维素气凝胶的高比表面积、多孔结构和良好的生物相容性，以及纳米复合材料的独特性能，如增强的机械强度、光学性能和电磁性能等。

这些特点使得纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料在能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

本文旨在全面介绍纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备方法和性能研究。

我们将概述纤维素气凝胶的基本特性和制备原理，以及纳米复合材料的基本原理和优势。

接着，我们将详细介绍纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备方法，包括材料选择、工艺流程、复合技术等。

在此基础上，我们将探讨这种复合材料的性能特点，如力学性能、热学性能、电磁性能、光学性能等，并通过实验数据验证其性能优势。

我们将展望纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料在未来的应用前景和发展方向，为相关领域的研究提供参考和借鉴。

通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的了解纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的平台，推动该领域的研究和发展。

二、材料制备纤维素气凝胶基多功能纳米复合材料的制备是一个复杂而精细的过程，涉及到纳米技术与高分子科学的交叉。

我们选取高质量的纤维素作为基材，通过化学方法将其转化为水溶性的纤维素衍生物，以便后续的凝胶化过程。

在这一步骤中，我们严格控制反应条件，确保纤维素的转化率高且产物稳定性好。

接下来，我们将转化后的纤维素与纳米级的功能性填料进行混合。

这些填料可以是金属氧化物、碳纳米管、或具有特殊光学、电学性质的纳米粒子。

混合过程中，我们利用高分子物理的原理，通过调控温度、压力和pH值等参数，使纤维素与纳米填料之间形成稳定的界面结合。

随后，我们将混合液进行凝胶化处理。

在这一过程中，纤维素分子链通过氢键等相互作用形成三维网络结构，同时将纳米填料均匀地分散在网络中。

我们利用特定的凝胶化技术，如冷冻凝胶化或化学凝胶化，确保气凝胶的孔结构和纳米填料的分布达到最佳状态。

纤维素气凝胶及其复合材料的制备与表征纤维素气凝胶及其复合材料的制备与表征摘要：纤维素气凝胶是一种具有良好的生物相容性和可降解性的新型材料，其在生物医学、环境保护、能源储存等领域具有广阔的应用前景。

本文主要介绍了纤维素气凝胶的制备方法和表征技术，并探讨了纤维素气凝胶与其他材料的复合应用。

研究结果表明，纤维素气凝胶及其复合材料具有优异的物理化学性能和应用性能，为实现可持续发展和环境友好的材料应用提供了新思路。

1. 引言纤维素是一种由纤维素链聚合而成的多聚物，具有极高的生物可降解性和生物相容性。

纤维素气凝胶是利用纤维素的特殊结构和性质通过凝胶化技术制备得到的一种新型材料。

由于其高比表面积、多孔性和可调控的孔隙结构，纤维素气凝胶在吸附分离、催化反应、药物缓释等领域展示出了广泛的应用潜力。

2. 纤维素气凝胶的制备方法2.1 酸碱法酸碱法是纤维素气凝胶制备的一种常用方法。

首先，将纤维素经过一定的预处理后溶解于酸碱溶液中，随后通过调节pH值使纤维素形成凝胶。

最后，通过胶凝剂的交联作用将纤维素凝胶固化。

酸碱法制备的纤维素气凝胶具有较好的稳定性和可控性。

2.2 直接冻胶法直接冻胶法是利用纤维素的胶凝性质直接制备纤维素气凝胶的方法。

将纤维素溶液直接注入低温液氮中，形成纤维素凝胶。

直接冻胶法制备的纤维素气凝胶具有较高的孔隙度和可调控的孔隙结构。

然而，由于冻胶过程中缺乏交联反应，直接冻胶法制备的纤维素气凝胶的稳定性较差。

3. 纤维素气凝胶的表征技术3.1 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种常用的纤维素气凝胶表征技术。

通过扫描电子显微镜可以观察纤维素气凝胶表面形貌和孔隙结构。

研究发现，纤维素气凝胶具有较大的比表面积和多孔结构，有利于提高其吸附分离和催化反应性能。

3.2 比表面积分析（BET）比表面积分析是一种用于测定材料比表面积的常用方法。

通过比表面积分析可以定量测定纤维素气凝胶的比表面积和孔隙结构参数，如孔隙体积、孔径分布等。

纤维素气凝胶骨架单元概述说明以及解释1. 引言1.1 概述纤维素气凝胶是一种具有多孔结构的材料，由于其独特的性质和广泛的应用领域，在科学研究和工程技术中引起了广泛关注。

作为一种生物可降解、可再生和环境友好的材料，纤维素气凝胶在能源存储、传感器技术、药物输送等领域显示出巨大潜力。

1.2 文章结构本文分为五个部分进行阐述。

首先，在引言部分，我们将对纤维素气凝胶和骨架单元进行概述，并说明文章的目的。

接下来，第二部分将详细介绍纤维素气凝胶的定义与特点以及制备方法。

第三部分将着重讨论骨架单元的定义与功能、类型与结构以及形成机制与调控策略。

在第四部分，我们将对纤维素气凝胶的骨架单元作用进行总结说明，并解释骨架单元对纤维素气凝胶性能的影响。

最后，在结论部分，我们将总结纤维素气凝胶骨架单元的重要性和潜在应用价值，并展望未来研究方向和应用前景。

1.3 目的本文的目的是对纤维素气凝胶和骨架单元进行概述说明以及解释。

通过对纤维素气凝胶的定义、特点、制备方法以及骨架单元的功能、类型、结构等进行详尽介绍，旨在提供一个全面了解纤维素气凝胶和骨架单元的框架，为进一步研究和应用奠定基础。

此外，我们还将总结当前研究进展，并展望未来在该领域的发展方向，为科学家们提供启示和指导。

2. 纤维素气凝胶2.1 定义与特点纤维素气凝胶是由纤维素分子通过化学反应或物理交联形成的可逆凝胶体系。

它具有以下特点：（1）高表面积：纤维素气凝胶具有多孔的网状结构，使得其具有较大的比表面积，有利于吸附和储存大量的水分和溶质。

（2）强度调控能力：调节制备时的组装条件和原料比例，可以获得不同强度和形态的纤维素气凝胶，从而满足不同领域的需求。

（3）环境友好：纤维素是一种天然存在且来源广泛的生物质材料，因此制备纤维素气凝胶相对环境友好，符合可持续发展的需求。

2.2 制备方法目前，制备纤维素气凝胶通常采用溶剂法、冻融法、温相转变法等多种方法。

（1）溶剂法：将纤维素原料溶解在溶剂中，通过控制pH值、温度等条件引发聚集和交联反应，形成纤维素气凝胶。

凹凸棒-纳米纤维素复合气凝胶柔性电极材料的研究凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶柔性电极材料的研究近年来，柔性电子技术的快速发展为我们的生活带来了许多便利。

灵活的电子器件在可穿戴设备、智能家居、医疗健康等领域得到广泛应用，然而，如何制备高性能的柔性电极材料一直是该领域的重要课题之一。

凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶因其独特的结构和优异的性能而成为一种具有潜力的柔性电极材料。

凹凸棒是一种碳纳米材料，具有较高的导电性和机械强度。

纳米纤维素是一种从纤维素基质中提取的纳米级纤维，具有较大的比表面积和优异的拉伸性能。

将凹凸棒与纳米纤维素复合，可以充分发挥两者的优势，提高材料的导电性和机械柔韧性。

在制备凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶柔性电极材料的过程中，首先需要制备凹凸棒和纳米纤维素的原料。

凹凸棒可以通过碳纳米管的热解、溶胶-凝胶法或电化学沉积等方法制备。

纳米纤维素的制备主要通过纤维素的纳米化处理或纳米纤维素的溶胶旋涂等工艺实现。

然后，将凹凸棒和纳米纤维素以适当的比例混合，并加入溶剂进行均匀分散。

最后，将混合物制备成所需形状的气凝胶，过程中需要使用模具或采用3D打印等方法进行造型。

制备完成的凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶柔性电极材料可以进行后续的表征和性能测试。

凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶材料的优点之一是其在导电性能方面的出色表现。

凹凸棒具有良好的导电性，可以提高材料的导电通路，从而提高电极的导电性能。

纳米纤维素则可以增加材料的比表面积，有利于电子传输的扩散和传导。

通过合理设计复合比例和制备工艺，可以实现凹凸棒和纳米纤维素之间的优化相互作用，进一步提高材料的导电性能。

此外，凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶材料还具有良好的机械柔性。

由于纳米纤维素的添加，材料的柔韧性得到了显著增强。

纤维素的起到支撑和增强作用，有效防止了凹凸棒的聚集和堆积，提高了材料的拉伸强度和弹性模量。

因此，凹凸棒/纳米纤维素复合气凝胶材料可以抵抗大范围的变形和拉伸，适应各种形状的电子器件的需求。

气凝胶的制备与应用研究气凝胶是一种轻质多孔的新型材料，具有优异的热、声、光和电学性能，被广泛应用于能源、环保、航空航天、生物医药等领域。

本文将介绍气凝胶的制备方法和应用研究进展。

一、气凝胶的制备方法气凝胶的制备方法主要有超临界干燥法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法和气相沉积法等。

其中，超临界干燥法是目前应用最广泛的制备方法，因其制备过程简单，可用于各种类型的物质，且制得的气凝胶密度低、孔径可控，具有良好的热稳定性和化学稳定性。

以下将对这四种方法分别进行介绍：1. 超临界干燥法超临界干燥法是指在高压高温下将液态物质变为气态，通过减压降温使物质从气态转变为凝胶状态，最终得到气凝胶。

该方法可用于制备化学性质稳定的无机气凝胶和多种有机气凝胶。

超临界干燥法的优点在于：可以改变超临界条件（压力、温度）来控制孔隙结构，得到可调控的孔径和孔隙大小的气凝胶。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指将物质分散在溶液中形成胶体，通过蒸发、热处理或光聚合等方式使其自组装形成凝胶状态，再通过干燥处理形成气凝胶。

该方法制备的气凝胶可用于吸附剂、分离材料、催化剂和光学传感器等领域。

3. 冷冻干燥法冷冻干燥法是指将物质的溶液冷冻成凝胶状态，再通过蒸发水分或真空干燥等处理方式将其转变为气凝胶。

该方法制备出的气凝胶具有优异的孔隙性能和高比表面积，在光学、催化和隔热领域有广泛的应用。

4. 气相沉积法气相沉积法是指将一种适宜的前体物质在高温下裂解、氧化或还原等化学反应形成气态分子，通过气相沉积在固体表面上形成气凝胶。

该方法的优点在于：制备速度快，反应条件易于控制，可得到高纯度、高结晶度的气凝胶。

二、气凝胶的应用研究进展气凝胶的应用研究主要集中在以下几个领域：1. 能源领域气凝胶具有优异的隔热性能和低介电常数，可用作电容器介质、超级电容器、锂离子电池隔膜和太阳能电池支撑材料等。

目前，人们已经研制出多种具有优异性能的气凝胶，如碳气凝胶、二氧化硅气凝胶等，这些材料在节能环保领域和新能源领域有广泛的应用前景。

Advanced Materials Industry38国外气凝胶材料研究进展■ 文/江 洪 王春晓 中国科学院武汉文献情报中心气凝胶是世界上密度最小的固体，密度仅为3.55k g /m 3，也被称为“固态的烟”，具有膨胀作用、离浆作用等，还具有高比表面积、绝热等特征。

气凝胶材料在20世纪30年代由美国塞缪尔·基斯勒（Samuel Kistler）教授采用超临界干燥方法制备而成。

气凝胶自身的结构和性能使其具有重要的应用价值，广泛应用于服饰、建筑、环保等众多领域。

本文对国外气凝胶材料的制备工艺和应用进展进行介绍。

1 不同气凝胶材料的制备1.1 纤维素气凝胶纤维素是自然界中一种可再生的绿色生物质材料，其广泛存在于植物和部分海洋生物中。

纤维素气凝胶是以纤维素作为原材料制备而成，这种材料具有生物降解等环保特性。

纤维素气凝胶种类丰富，如细菌纤维素气凝胶、纳米纤维素气凝胶，其制备工艺通常都包含冷冻干燥等流程。

法国国家科学研究中心G a v i l l o n等人[1]将纤维素材料溶解于氢氧化钠溶液中，制备了一种新型高度多孔纯纤维素气凝胶材料，其内部比表面积在200～300m 2/g左右，密度在0.06～0.3g/cm 3之间。

科罗拉多大学Blaise等[2]人利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基，将使用醋酸杆菌制备出的细菌纤维素，再通过超临界干燥法等方法制备出一种细菌纤维素气凝胶材料，具有低热导率的特征，并提出未来使用食物垃圾作为培养基来提高生产力。

德国航空航天中心Schestakow等人[3]首先使用微晶纤维素作为原材料制备一种气凝胶，然后通过使用普通溶剂如水、乙醇、异丙醇或丙酮等溶剂将气凝胶进行再生，制备出了一种浓度为1%～5%（质量分数）的纤维素气凝胶，通过扫描电镜对这些气凝胶的收缩、比表面积、密度以及微观结新材料产业 NO.02 202139构和力学性能进行了表征，结果表明用丙酮再生的纤维素气凝胶的比表面积比用水再生的纤维素气凝胶高出60%。

纤维素气凝胶冷冻干燥纤维素气凝胶是一种新型的材料，具有广泛的应用前景。

冷冻干燥是一种常见的制备纤维素气凝胶的方法。

本文将从纤维素气凝胶的定义、制备方法及应用领域等方面进行介绍。

一、纤维素气凝胶的定义纤维素气凝胶是由纤维素纳米纤维组成的一种凝胶状材料。

纤维素是一种天然高分子多糖，具有良好的可再生性和生物降解性。

纤维素纳米纤维具有高比表面积和丰富的羟基官能团，使其能够与水分子发生强烈的相互作用，形成凝胶。

二、纤维素气凝胶的制备方法纤维素气凝胶的制备方法多种多样，其中冷冻干燥是一种常用的方法。

具体操作步骤如下：1.将纤维素溶解在适当溶剂中，形成纤维素溶液；2.将纤维素溶液注入容器中，并进行适当的搅拌，以使纤维素均匀分散；3.将纤维素溶液进行冷冻处理，使其形成纤维素凝胶；4.将纤维素凝胶进行冷冻干燥，使其脱除多余的水分，得到纤维素气凝胶。

三、纤维素气凝胶的应用领域纤维素气凝胶具有许多优良的性质，如良好的吸附性能、优异的机械性能和生物相容性等，因此在许多领域都有广泛的应用。

1.环境领域：纤维素气凝胶可以应用于废水处理、油水分离和有机污染物吸附等方面。

其高比表面积和丰富的羟基官能团使其具有良好的吸附性能，可以用于去除废水中的重金属离子、有机染料等污染物。

2.能源领域：纤维素气凝胶可以用于锂离子电池、超级电容器等能源设备中。

其高比表面积和优异的导电性能使其成为理想的电极材料。

3.生物医学领域：纤维素气凝胶可以用于药物缓释、组织工程和生物传感器等方面。

其生物相容性良好，可以用于制备药物缓释系统，实现药物的长效释放。

同时，纤维素气凝胶还可以作为支架材料，用于组织工程和再生医学领域。

4.食品包装领域：纤维素气凝胶可以应用于食品保鲜和包装材料方面。

其良好的吸湿性和阻隔性能可以有效延长食品的保鲜期，并提高包装材料的使用寿命。

纤维素气凝胶作为一种新型的材料，在环境、能源、生物医学和食品包装等领域都有广泛的应用前景。

冷冻干燥是一种常用的纤维素气凝胶制备方法，通过这种方法可以得到具有良好性能的纤维素气凝胶。

纳米纤维素气凝胶的制备及增强改性方法研究进展龙军1509302003广西大学木材科学与技术摘要：纳米纤维素气凝胶材料兼具绿色可再生的纤维素材料和多孔固体材料的双重优点，已成为世界近几年的重点应用开发领域之一。

本文从天然纳米纤维素气凝胶的制备方法出发，概述了影响其结构和性能的主要因素，并就目前已有的力学增强改性方法进行了总结和分析，最后对天然纳米纤维素气凝胶材料的研究方向进行了展望。

关键词：纳米纤维素；气凝胶；增强改性Advances on Preparation and Reinforcing Modification of CelluloseNanofibril AerogelAbstract：Cellulose nanofibril aerogel, which with the combination of the advantages and characteristics of the renewable biopolymer and highly porous material, has become one of the world's key application development areas in recent years. In this review, the preparation method of natural cellulose nanofibril aerogels and the main factors influencing their structure and perfor mance were overviewed, and then the already existed mechanical modification methods are summarized and analyzed. Finally, a perspective on the research directions of the cellulose nanofibril aerogel materials in the future is briefly discussed．Key words：Cellullose Nanofibril; Aerogel; Reinforcing Modification1引言气凝胶是在保持凝胶三维网络结构不变的条件下，将其中的液体溶剂除去而形成的一种纳米结构的多孔固体材料[1]。