[发明专利]一种功能化纤维素纳米纤维气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种功能化纤维素纳米纤维气凝胶及其制备方法。本发明所述功能化纤维素纳米纤维气凝胶通过采用醛基改性纤维素纳米纤维和接枝酰肼基团的纤维素纳米纤维之间发生化学反应引入腙键的方法制得。本发明所述纤维素纳米纤维气凝胶具有良好的机械稳定性和形状恢复性。

技术领域

本发明涉及气凝胶领域，尤其涉及一种功能化纤维素纳米纤维气凝胶及其制备方法。

背景技术

随着环境污染、能源危机等问题的日趋严重，天然生物来源的纤维素纳米纤维(CNFs)由于其储量丰富、可再生以及良好的生物降解性，引起了越来越多的关注。以CNFs为原料制备得到的CNFs气凝胶毒性低、可生物降解，生物相容性好而且具有独特的孔结构，在电化学、生物医学、建筑学等领域有广阔的应用前景。此外，CNFs表面拥有大量的活性羟基，易实现化学改性，从而为CNFs气凝胶的实际应用研究提供了更多应用前景，包括污水净化材料、磁性材料及催化剂负载材料等。值得注意的是，大部分关于CNFs气凝胶的应用是需要在有水存在的环境中进行的。然而在水环境中水分子会与CNFs上的羟基形成氢键使得纤维素之间的氢键被纤维素和水分子之间的氢键取代，因此，由CNFs气凝胶在应用过程中极易被分解破坏，导致CNFs材料耐水性差及再循环性差。

CNFs气凝胶具有和SiO₂气凝胶类似的较高的孔隙率和较大的比表面积的特点，但是相比SiO₂气凝胶，CNFs气凝胶具有一定的压缩性能，不易碎，因此可适用于需要柔韧性以及一定机械强度的应用中。但是CNFs气凝胶在应用中也存在一定的限制，即CNFs气凝胶具有在水中分解的趋势，这主要是由于水分子可以和纤维素纳米纤维上的羟基形成氢键，在水环境中破坏了气凝胶的基本结构。为了克服CNFs气凝胶的这一不足，逐渐有三种方案被提了出来：(1)在CNFs悬浮液中引入聚合物，形成稳定的复合气凝胶；(2)在CNFs悬浮液中加入交联剂，增加CNFs之间的交联，形成稳定的CNFs气凝胶；(3)在CNFs中引入化学交联，取代部分氢键交联，增强CNFs气凝胶的机械性能。由于方案一和方案二会不可避免地覆盖部分纤维素纳米纤维表面的亲水位点，因此第三种方案成为了提高CNFs气凝胶耐水性能的最佳方案。

Yang等人在纤维素纳米晶(CNC)气凝胶中引入了化学交联，制备了具有一定耐水性能的纤维素气凝胶，该气凝胶在水环境中80％的压缩量下循环压缩20次后仍然达到了85％的形状恢复率。但是纤维素纳米晶长径比较小，硬度高，柔韧性差，因此物理交缠作用相对较弱，在形成纤维素气凝胶过程中带来了很多不足之处，并不是形成纤维素气凝胶的最佳材料。

Li等人通过高效的气固氟化反应在CNFs气凝胶中引入了酯交联，实现了在CNFs气凝胶中共价键和亲水基团共存的目标，提高了CNFs气凝胶机械性能和耐水性能。经过化学处理后，气凝胶的孔径由3.1nm增加到了5.6nm，孔径增加主要是由于共价键的键程比氢键的键程短，CNFs之间的距离减小，孔径增大。但是氟气是一种强氧化剂，腐蚀性极强且有剧毒性，容易对环境及人体造成危害，因此氟气氧化法不是一种常用的氧化方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种功能化纤维素纳米纤维气凝胶及其制备方法，通过合适的方法提高CNFs气凝胶的机械稳定性能和耐水性并同时确保其亲水性。

本发明通过采用醛基改性纤维素纳米纤维和接枝酰肼基团的纤维素纳米纤维之间发生化学反应引入腙键的手段制备具有良好的机械稳定性和形状恢复性的纤维素纳米纤维气凝胶；所述醛基改性纤维素纳米纤维与接枝酰肼基团的纤维素纳米纤维质量比1：1。

本发明所述一种功能化纤维素纳米纤维气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：