纳米纤维素/ZIF-8复合膜的制备及其气体分离性能研究文献综述

 2022-07-26 03:07

文献综述

1 前言

当今社会,工业发展使得社会财富的巨额增长,但与此同时也带来了资源耗费、生态破坏以及其他环境恶化等问题,这些问题将直接影响到人们的生活水平和身体健康。近年来,人们环保呼声日益高涨,环境保护意识日益增强。因此寻找一种可持续、可再生能源,实施清洁生产的倡议被提出。纤维素是自然界含量的天然有机物,一年中通过植物光合作用可以生产出约百亿吨的纤维素,可以说它是人类取之不尽、用之不竭的宝贵资源,广泛存在于树木、棉花、秸秆以及其他高等植物中,纤维素具有储量大、可再生、功能广泛等优点,是一种环境友好型的材料。近年来许多研究者利用纤维素表面的羟基进行改性研究,包括纤维素的酯化、醚化、交联和接枝共聚等,制备得到具有特定功能性新材料,在造纸、生物医药、化工等行业有新的突破。

近年来,气凝胶也逐渐成为国内外学者研究的热点,气凝胶主要由气体置换凝胶中的溶剂形成,凝胶内储存着大量的空气,是一种具有纳米尺寸的多孔材料,有着巨大的比表面积和吸附性,在很多重要领域都有着应用价值,然而随着科学技术的迅速发展,很多块状气凝胶限制了气凝胶的实际应用。而纳米纤维素是一个尺寸小于100 nm 的纤维,利用纳米纤维素可以制备气凝胶微球,不仅保持纳米纤维素原有的网络结构,而且还具有无毒、无污染等优点。还具有超轻质、超小粒径、高力学强度及一定的柔性等有事,在许多领域都有极大的发展潜力,包括医药生物医药释放、过滤材料、隔音隔热材料等,再将纳米纤维素微球进行复合、杂化制备具有特殊性能的气凝胶微球,还用于水污染吸附剂、药物传递等方面。因此纳米纤维素气凝胶越来越受到研究者的密切关注。

2 气凝胶研究概况

气凝胶是一种通过合适的干燥技术,用气体代替湿凝胶中的液体,而内部纳米级的孔隙结构不出现坍塌现象的高度多孔材料,其本质是凝胶本身的三维网络结构或体积不被改变的特殊凝胶。与孔洞结构在微米或毫米级的多孔材料不同,气凝胶材料具有高比表面积(100-1500m2/g)、高孔隙率( 80-99%)、低介电常数、低热传导系数、低光折射率、低声速以及极强的气体吸附能力等特点,是目前密度最小的固体材料之一,已被用于催化剂或催化剂载体、药物载体、吸附剂、过滤材料、高温隔热材料、声阻抗耦合材料等方面,在航空航天、化工、电子、农业及制药业等领域具有广阔的应用前景。纤维素气凝胶被誉为继有机气凝胶和无机气凝胶之后的新一代气凝胶,是新生的第三代材料。它不仅具有传统气凝胶纳米多孔结构的特点,还同时融入了自身的优异性能,如绿色可再生,良好的生物相容性,韧性好、易加工等,在制药工程、吸附材料、医学和化妆品制造等领域具有广阔的应用前。21世纪以来,纤维素气凝胶的研究日渐活跃,主要集中在原料的溶解或分散、凝胶的成型、湿凝胶的溶剂置换及干燥方式等方面,而对纤维素气凝胶的功能化改性研究也已成为研究的热点。

3 本研究的主要内容和重要意义

本研究的主要内容分为以下三步骤:

(1)采用冷冻干燥法制备纳米纤维素气凝胶并测定其机械及化学性质;

(2)借助酸浸渍、离子交换、集团改性等手段调变纳米纤维素气凝胶的亲疏水性能;

(3)测定气凝胶对Cd、Cu等重金属离子的吸附性能。

通过文献阅读可知,近几年,由经济发展带来的环境污染和能源短缺问题越来越严重,急需一种新材料来解决以上问题。由于气凝胶具有丰富的网络结构、孔隙率高、比表面积大,在吸附、能源储存等领域具有广阔前景。目前,气凝胶的研究多集中在二氧化硅等无机气凝胶领域。纤维素气凝胶的研究刚开始起步,且制备方法多为直接溶解法,得到的气凝胶力学性能较差。在此背景下,本文以纸浆为原料,分别采用纳米纤维素,通过无机盐溶液凝胶成型法制备球形水凝胶,最后利用CO2超临界干燥和冷冻干燥法制备气凝胶。为气凝胶的制备提供一些依据。通过借助酸浸渍、离子交换、集团改性等手段调变纳米纤维素气凝胶的亲疏水性能并测定气凝胶对Cd、Cu等重金属离子的吸附性能。得到一些基础数据,为工业应用和基础研究提供依据和经验。

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