基於Pickering乳液技術製備新穎的纖維素納米纖-聚合物複合氣凝膠

2021-01-08 科技與生活視野

該研究使用纖維素納米纖（CNF）穩定的Pickering乳液技術並結合冷凍乾燥法，簡便快速地製備結構新穎和性能優異的CNF/聚合物複合氣凝膠。該方法具有很好普適性，適用於各種油溶性聚合物以及功能小分子與CNF來構築複合氣凝膠，為纖維素氣凝膠複合化和功能化提供了新方法。

關鍵詞

纖維素納米纖，Pickering乳液，複合氣凝膠，固態螢光探針

圖1.複合氣凝膠的製備過程及原理

圖2.（a）CNF氣凝膠與複合氣凝膠的應力應變曲線，插入圖為CNF氣凝膠與A-CNF/PLA-2在100g砝碼壓力下的照片,（b）1,4-DHAQ與1,4-DHAQ@CNF/PLA固態螢光探針在不同濃度的Cu2+溶液的螢光強度。

纖維素是世界上最豐富，最快速降解的生物聚合物之一，基於纖維素的氣凝膠具有環保，可再生和經濟的優勢，因而引起了許多研究者的關注。纖維素氣凝膠不僅具有非常低的密度和高孔隙率，而且具有低的導熱性，柔韌性，優異的溼回彈性，可再生性，生物降解性和生物相容性。但是，純CNF氣凝膠具有各種固有的缺陷，例如水敏感性，較差的力學性能，結構不均勻性和脆性等，因而限制了它們的廣泛應用。近年來，已經廣泛研究了具有化學交聯結構的CNF氣凝膠或基於具有多組分系統的CNF的複合氣凝膠，以改善氣凝膠材料的機械性能或多功能性應用。而一些研究則採用溶液共混方法製備了水溶性聚合物例如聚乙烯醇(PVA)與CNF形成的複合氣凝膠。然而，與水溶性聚合物相比，價廉的通用聚合物例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸脂(PC)，聚苯乙烯(PS)以及聚乳酸(PLA)PS等，由於其非水溶性則在開發基於CNF氣凝膠的複合材料方面受到很少關注。

桂林理工大學劉紅霞教授團隊與華南理工大學王朝陽教授團隊合作，利用CNF穩定的Pickering乳液凝膠技術結合冷凍乾燥方法，開發出了一種新型且簡便的方法來製備CNF/聚合物（非水溶性）複合氣凝膠。首先將非水溶性聚合物溶解在油相1, 2-二氯乙烷（DCE）中，與CNF的水分散液混合，經超聲乳化作用後，CNF穩定地吸附在含有聚合物的DCE液滴表面，同時高長徑比的CNF通過相互纏結及分子間氫鍵作用在水相形成交聯網絡結構，進行形成Pickering乳液凝膠。進一步經冷凍乾燥後，即得到CNF/聚合物複合氣凝膠（圖1）。與純CNF氣凝膠相比，複合氣凝膠具有相似的多孔結構，極低的密度和高孔隙率。與之不同的是，複合氣凝膠的孔壁結構中出了CNF之間的氫鍵作用外，由於聚合物的引入而產生了更強的粘結作用，因而明顯提高了複合氣凝膠的尺寸穩定性和機械性能（圖2a）。此外，研究團隊通過在含有PLA的油相中溶解1,4-二羥基蒽醌（1,4-DHAQ，一種螢光小分子），構築固定了1,4-DHAQ 的CNF/PLA複合氣凝膠，並用於檢測Cu2+濃度的新型固態螢光探針。該固態螢光探針與純的1,4-DHAQ相比，具有更低的檢測濃度，可達10-8mol /L （圖2b），同時具有更好的便攜性。該研究為CNF /聚合物複合氣凝膠的製備及其功能化產品的開發提供了一條簡便而通用的途徑。

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