[发明专利]一种双醛纳米纤维素三维柔性材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种双醛纳米纤维素三维材料及其制备方法与应用。本发明的双醛纳米纤维素三维材料，制备方法包括如下步骤：(1)基体的高度氧化：将纳米纤维素分散液与氧化剂混合，调节pH至酸性，混匀，避光加热反应，得到初始水凝胶；(2)基体的冷冻干燥：水洗初始水凝胶，液氮冷冻，真空冻干，再次水洗，得到双醛纳米纤维素三维材料。本发明的材料具有柔性网状结构，具有极高的改性价值，并且在湿态环境仍能保持形态，具有良好的压缩回弹性和耐水性；表面还具有丰富的羟基和醛基，可作为活性位点进一步功能化，得到的双醛纳米纤维素固态胺吸附剂可吸附酸性气体。

技术领域

本发明涉及纳米纤维素衍生物技术领域，尤其涉及一种双醛纳米纤维素三维柔性材料及其制备方法与应用。

背景技术

纤维素由通过β-1,4糖苷键共价连接的重复β-d-吡喃葡萄糖单元的线性链组成，是自然界分布最广泛、含量最丰富的天然高分子，存在于植物、某些细菌、藻类、海洋动物和真菌中，也可以由含有木质纤维素生物质的未加工和加工废料获得。功能化纤维素产品在生物经济中具有很高的应用价值，然而纤维素在大多数常见的溶剂中不溶，难以实现自下而上设计组装三维功能材料。基于降低纤维之间的粘合力，由纤维素通过机械诱导和化学诱导解构形成具有至少一个纳米尺度的纳米纤维素。相比于纤维素，其不仅具有良好的分散性以及更活泼的反应活性，其纳米尺寸特性和强氢键作用可以实现自下而上合成，从纳米结构自组装制备结构稳定的二维和三维柔性材料，在组装过程中可通过对原料的组合以及材料的结构进行调控设计，且因低碳足迹、可持续、可再生、可回收、无毒等优势备受关注【Foster E J,Zahed N,Tallon C.The Transformative and Versatile Role ofCellulose Nanomaterials in Templating and Shaping Multiscale MesostructuredCeramics[J].Small,2018,14(46).】。

根据分子链长度、直径、聚合度范围与形态的差异，目前将纳米纤维素大致分为纳米晶纤维素(CNC)、纤维素纳米纤维(CNF)和细菌纤维素(BNC)三类。CNF的聚合度为500-15000，长度范围在0.1-2μm，具有较大的长径比，轻质(1.5-1.6g/cm³)、高模量(85J/g左右)。CNF的生产过程主要是通过多重机械剪切作用，无需使用对环境有害的有机溶剂进行加工，过程较简便，原料可再生，降解液可回收，降解的糖也可以分离用于生物燃料生产，对环境十分友好。此外，CNF表面存在残留疏水化合物可以起到相容剂的作用，较大的长径比可导致长链CNF与短链CNF连接，自组装网络效果最佳。因此，目前基于CNF的三维材料的研究和应用更为广泛。

纳米纤维素因纳米尺寸而具备良好的分散性和溶液中的自组装特性，这种特性使其与化学修饰所用的溶剂(极性和非极性)相容，不会溶解在这些“常规”溶剂中，相比于纤维素，它可以保持形状，并通过纳米纤维素-溶剂的相互作用来修饰自组装，这些相互作用大多基于范德华力、氢键和比表面物理吸附结合。氢键作用不仅将纳米纤维素的结晶部分(分子内键)结合在一起，而且还负责稳定纳米纤维素分子间、纳米纤维素之间的强相互作用，实现在溶剂中的自组装，在受控的成型和溶剂去除过程中，向最终的网状结构发展。此外，纳米纤维素独特的尺寸和形状不仅可以设计组装微观结构，还可以通过在微观结构周围或中间进一步排列来发展宏观结构，从而可制备具有高灵活性、超轻重量、自成型、超弹性等特性的三维材料，作为吸附剂、药物载体、基材支架等应用方面都受到广泛关注【Foster E J,Zahed N,Tallon C.The Transformative and Versatile Role ofCellulose Nanomaterials in Templating and Shaping Multiscale MesostructuredCeramics[J].Small,2018,14(46).】。