木質纖維素氣凝膠的制備及性能表征的研究

戴金洲 柯志勇 馮大利 劉曉明

摘 要： 纖維素是自然界中儲量最為豐富的一種天然高分子， 纖維素氣凝膠作為無機氣凝膠和合成聚合物氣凝膠之后的第三代氣凝膠，兼具綠色可再生的纖維素材料和多孔氣凝膠材料的優點，成為纖維素材料研究與應用的一個熱點。本文內容包括木質纖維素的提取、堿性溶劑（尿素/NaOH）的溶解、纖維素氣凝膠的制備與表征，包括sol-gel的形成、冷凍干燥工藝的制定、SEM、FTIR、BET等性能的測試表征，對木質纖維素氣凝膠用MTMS硅烷進行疏水改性，對纖維素氣凝膠在物流、港口行業應用的展望。

關鍵詞：纖維素；氣凝膠；冷凍干燥；疏水改性

1 引言

氣凝膠是將凝膠中液體溶劑用空氣取代，不改變其自身網絡結構的納米多孔材料[1，2]。纖維素氣凝膠作為第三代材料；不僅擁有傳統氣凝膠的性能，還具有獨特性能，如良好的機械性能、環境友好、可降解、生物相容性等[3～5]，引起了人們極大的關注[2]。其中以纖維素及纖維素衍生物為凝膠和氣凝膠原材料已經有大量的研究，Chang等以NaOH/尿素為溶劑，熱固法合成了纖維素水凝膠[6]；Granstrom等以離子液體作為纖維素溶劑，經烷基改性制備出了具有超級疏水性能的氣凝膠[7]；Jin等以用納米纖維素為原料，經超聲處理和冷凍技術制備出了納米纖維素纖維氣凝膠[8]。纖維素氣凝膠富有羥基，具有較大的比表面積和較高的孔隙率，易吸收空氣中的水蒸氣，一旦吸濕，凝膠材料的原有結構將會破壞，限制了纖維素氣凝膠的應用。

在纖維素的種類中，木質纖維素的占有量較高，它是天然可再生木材經過一系列處理的得到的一種纖維物質。木質纖維素具有比重小、分散性強、柔韌性好，比表面積大，在隔熱保溫、建筑、醫用等領域有廣泛的應用[9～12]。本文以木質纖維素為原料，通過凝膠溶膠法，制備凝膠網絡結構，通過冷凍干燥手段制備出木質纖維素氣凝膠，再通過硅烷處理得到疏水性能的纖維素氣凝膠，此外還討論了疏水改性和吸油能力的影響。

目前我國的淡水資源有限，海水資源受到了各種污染，其中危害最大的是油類污染物。在處理含油廢水方面，纖維素氣凝膠具有高效、經濟、易操作的特點，被認為是最具前景的綠色材料[13，14]，本文最后指出這種新型纖維素氣凝膠在物流和港口中的應用。

2 木質纖維素氣凝膠的合成與制備實驗

2.1 主要原料和儀器設備

實驗用到的主要原料和儀器設備見表1。

2.2 試樣制備

在輕木木材中選取一定尺寸的木片，用高速絞碎機制取輕木粉。然后提取纖維素。提取方法如下：

輕木木粉（10 g）→滴加苯醇并恒溫水浴（80℃ 5 h）→ 將輕木木粉轉移到燒杯，并滴加次氯酸鈉（4 g）和冰乙酸（3 ml）→真空泵抽濾用蒸餾水洗滌至PH為7→丙酮洗滌多次并烘干（75℃）→等到樣品（木質纖維素）→性能表征 疏水改性或其他性能改性

纖維素氣凝膠的制備路線見圖1。采用凝膠溶膠法制備多孔的納米纖維素氣凝膠凝膠，通過干燥方法將濕凝膠變成干凝膠，最后進行疏水改性和其他性能的改性。本文通過冷凍干燥的工藝進行干燥，經歷了4個階段：1）濕凝膠的在-30℃4 h預凍階段；2）抽真空階段；3）升華階段，也是冷凍干燥的核心階段，24 h由-30℃到常溫；4）老化階段100℃老化2 h。最后將制備出的纖維素氣凝膠性能表征及MTMS疏水改性與其他性能的改性。

3 試樣的性能與形貌表征

3.1 掃描電鏡SEM表征

利用掃描電鏡（SEM， Quanta，FEI公司，美國）對纖維素氣凝膠的微觀結構進行觀察分析。將樣品剖面進行噴金處理，樣品表面干燥，在12.5 kV電壓下觀察剖面形貌。圖2c中，樣品表面有疏松多孔的網絡結構，纖維素大分子鏈直接形成交聯，構成了纖維素氣凝膠三維網狀空間結構，而在其表面形成致密無序的孔結構。圖2b中，樣品表面局部有一定塌陷，導致局部沒有看到孔，且部分孔徑尺寸大小不一樣，孔分布不均勻。這是由于在冷凍干燥的過程中，液體表面張力使濕凝膠在形成干凝膠的過程中形成空間的網狀結構塌陷[15]。

3.2 傅立葉紅外光譜FT-IR測試

采用FTLA2000型傅立葉紅外光譜儀，將氣凝膠研磨成粉末狀，KBr壓片，設置波長在500-4000 cm-1，分辨率為4 cm-1，進行紅外光譜測試，如圖3所示，由纖維素與木質纖維素氣凝膠的傅立葉紅外光譜對比分析知：木質纖維素與纖維素氣凝膠在3380 cm-1左右均出現了強而寬的O-H伸縮吸收帶，證明在溶膠凝膠形成的過程中O-H官能團并沒有消失，但纖維素氣凝膠的吸收峰向高頻率區移動，這是因為O-H的氫鍵締合作用，在形成溶膠凝膠的過程中減弱。兩者在1100 cm-1左右的吸收峰為C-O-C的對稱性伸縮振動，說明在形成溶膠的過程中，氫鍵和其他鍵的重裝并沒有影響其官能團。經過疏水改性的木質纖維素在1600 cm-1左右出現了比木質纖維素明顯的吸收峰（O-H彎曲峰），進一步證明了疏水涂層的疏水性能。

3.3 纖維素氣凝膠的孔徑分布

圖4 為纖維素氣凝膠的吸附/脫附等溫曲線，可以看到在P/Po為0.5～0.9的過程中吸附曲線有明顯的滯后現象，形成一個封閉的滯后環，根據其他吸附等溫曲線的分類，屬于IV類吸附曲線。

氮吸附BET測試結果表面，木質纖維素氣凝膠的比表面積為338.6 m2/g（脫氣采用的相對蒸氣壓為0.05～0.35時的BET數據），根據氣體吸附等溫線的分類可知，使用BJH方法確定材料的孔徑分布，分析表面材料的孔徑為14.2 nm，屬于典型的納米介孔材料，孔徑集中在20～60 nm之間。正是由于氣凝膠具有多孔的結構，才具有較高的隔熱保溫、吸附、降噪性能。

4 纖維素氣凝膠的吸油憎水性能

為測試烷基化改性（三甲氧基硅烷）纖維素氣凝膠的憎水性能，實驗中通過美國AST公司生產的VCA Optima設備來測試樣品的接觸角，驗證纖維素氣凝膠的憎水效果。圖5是對涂覆有MTMS纖維素氣凝膠進行接觸角測量的結果。

吸油材料處理浮油和含油廢水具有操作簡單、性價比高的優勢；吸油材料大致分為有機合成類、天然無機類、天然有機類這三大類，其中纖維素氣凝膠作為一種天然有機類吸油材料，可回收利用、可生物降解、廉價易得，在未來物流、港口等相關行業可廣泛應用。表2是吸油材料性能的評價指標。

為了驗證其吸油能力和性能，我們用纖維素氣凝膠對廢棄的污油、食用油、汽油、二甲苯等進行了相關的實驗，實驗步驟見圖6。吸油的效果見表3、圖7，結果表明，對不同分子量、不同粘度的物質，纖維素氣凝膠吸油性能不同，吸油的重量是本身的10～20倍，分子量小的吸油速度較快；分子量大、粘度高的吸油速度慢，吸油能力低。

通過實驗進一步證明纖維素氣凝膠有較好的吸油特性，對不同介質其吸油能力也不相同，這是由于纖維素氣凝膠是一種多孔納米材料，比表面積較大，吸附能力較強，而不同介質油污的成分、粘度不同（實驗是在常溫下進行）導致吸油能力也不同，其中對分子量較小的二甲苯吸附較快，而對食用油和廢棄機油的吸收能力遠高于二甲苯，對食用油的吸收率高達1354.2%。

5 纖維氣凝膠在物流和港口的應用

除了上述研究的性能外，纖維素氣凝膠有著超低的密度（0.012 g/m3）、極低的導熱系數0.025 w/mk（25℃測試的結果）、良好的聲學阻尼特性，因此在工業應用方面前景良好。

在物流方面，因為其具有超低的導熱系數，可廣泛運用到深冷行業和石油管道、LNG保溫等相關領域。正是由于纖維素氣凝膠具有納米多孔結構，使得其具有“無窮遠”路徑和“無限大”空間的性質，在物流行業的新材料方面將是一枝獨秀的局面[19]。在港口吸油方面，由于石油產品難以再生，簡單的回收、填埋或燃燒，不僅消耗資源而且污染環境。纖維素作為一種天然的有機纖維素，具有來源廣泛、可回收、生物共溶性、可降解等特點，同時具有良好的吸油性能，相信不久纖維素氣凝膠在港口的吸油方面必將引起一場新的行業風暴。

6 結論

通過對纖維素氣凝膠的制備、性能表征、性能改性得到以下結論：

1） 以天然木質纖維素為基材，通過提取，堿性溶解制備木質纖維素。

2） 利用溶膠凝膠法、冷凍干燥工藝制備纖維素氣凝膠，并用MTMS成功做表面改性處理。

3） 對樣品進行疏水性吸油性能測試，結果表明該纖維素氣凝膠有良好的疏水特性和吸油效果。

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The Fabrication and Performance Characterization of Lignocellulose Aerogel

DAI Jin-zhou，KE Zhi-yong，FENG Da-li，LIU Xiao-ming

（Bronxsignga Material （shenzhen） Co.， LTD，ShenZhen 518000）

Abstract：Cellulose as a kind of the natural polymer is the most abundant material in the nature. Cellulose aerogels is regarded as the third generation of the aerogels after the inorganic aerogel and synthetic polymer aerogel is occurring. Cellulose aerogel material with green， renewable properties and advantages of conventional aerogel material have attracted a hot research. In this paper，we extract the lignocelluloses from nature plants， using alkaline solvent （urea/NaOH） to dissolve it and discussing the dissolution of cellulose in preparation and characterization，which involved the formation of sol–gel and freeze drying process，and SEM，FTIR and BET characterization of performance test，then modifying the performance of lignocellulose aerogel with the hydrophobic agent of MTMS silane. Finally， we are looking forward to the bright application prospect of the cellulose aerogels in logistics and port industry.

Key words：Cellulose；Aerogel；Freeze drying；Hydrophobic property