纳米纤维素气凝胶的制备工艺研究

摘要：纳米纤维素是一种新型生物质纳米材料，它不仅保留了天然纤维素的基本性能，还具有比表面积大、强度高、易化学改性、可再生等诸多优良特性，在纳米材料研究中表现出巨大的潜力。气凝胶又称干凝胶，是指将凝胶中的大部分容剂脱离，使得凝胶的空间网状结构充满气体介质的块状材料，是目前世界上最轻的固体材料之一，具有极大的比表面积，这种独特的结构赋予其许多优良的性能。本文主要研究的是纳米纤维素气凝胶的制备工艺，通过纤维素的水相分解法，将纤维素直接溶解后再生，而得到湿凝胶，再经过溶剂置换，最后在进行超临界CO₂干燥而得到所需得气凝胶，并分析这些工艺过程中不同变量对最后结果的影响，以此来更好的获得纳米纤维素气凝胶。

关键词：纳米纤维素、气凝胶、水相分解、湿凝胶、溶剂置换、超临界CO₂干燥

Abstract

Nanocellulose is a new type of biomass nanomaterials. It not only retains the basic properties of natural cellulose, but also has many excellent properties, such as large specific surface area, high strength, easy chemical modification, renewable and so on. Aerogels, also known as xerogels, are bulk materials that separate most of the contents of the gel and allow the space network of the gel to be filled with gaseous media. It is one of the lightest solid materials in the world at present. It has a great specific surface area, and this unique structure gives it many excellent properties.This paper mainly studies the preparation process of nano cellulose aerogels, by aqueous cellulose decomposition, will dissolve cellulose directly after regeneration, and get wet gel, after solvent replacement, finally in supercritical CO2 drying to obtain the required gas gel, and analyze the effects of different variables in the process of the final the results, in order to better obtain nano cellulose aerogels.

1研究背景

传统气凝胶的原料多为硅类材料及金属氧化物，应其具有较低密度、较高的比表面积以及较高的孔隙率等优点，使其在超级电容器、催化剂和吸附剂等材料领域中取得了广泛应用，但其也存在显著得缺点，如：制备过程中的干燥的方法较复杂、成本较高等。而有机气凝胶则在一定程度上克服了传统气凝胶这类无机气凝胶的易碎性的缺点，制备过程包括溶胶-凝胶以及超临界干燥两个步骤，使其具有较强的机械性能但相对的其热稳定性较差。而无机-有机杂化气凝胶则是一类新的复合材料，它是由无机陶瓷的网络结构和有机聚合物或有机功能基团相连接而得到的材料，结合了无机气凝胶的强度、硬度、透明度和有机气凝胶的韧

性等优点，是目前气凝胶研究的热点之一。而近年来，因纳米纤维素具有低密度、较大的比表面积、高强度等性能优点以及制备工艺的优化，使得纳米纤维素具有美好的发展前景，也使其成为21世纪可持续发展研究的重要课题，同时也促进了纳米纤维素气凝胶的研究发展^[1]。

2纳米纤维素气凝胶的制备工艺