纤维素基自愈合凝胶研究现状

纤维素是自然界丰富的天然有机高分子,具有价廉易得、环境友好、力学性能良好等优点,开发和利用空间非常广阔。传统水凝胶存在力学强度差、结构功能单一等问题,而引入纤维素及其衍生物是改善其性能的一种重要手段。因此通过物理或者化学方法对纤维素进行改性,制备具有自愈合性能的凝胶,受到科技工作者的广泛关注和研究。笔者以物理型和化学型自愈合凝胶为主线,综述了近年来采用纤维素制备自愈合材料的研究进展,为纤维素基自愈合凝胶的制备和应用提供参考。以纤维素基凝胶的自愈合机理进行分类,重点介绍了利用氢键、疏水相互作用、主-客体相互作用、金属配位作用和静电作用等物理作用,以及硼酸酯键、双硫键、酰腙键、烯胺键和Diels-Alder反应等化学作用构建的凝胶。分析了自愈合凝胶的设计思路,探讨了凝胶自愈合性能的影响因素,同时总结了基于纤维素制备的自愈合凝胶的结构特性及其在柔性电子、生物医疗、组织工程等方面的应用。最后,探讨了纤维素基自愈合凝胶所面临的问题,并展望了其研究前景。     

纤维素基材料表面浸润控制技术的研究进展

纤维素基材料具有原料来源广泛、可生物降解和优异的生物相容性等特点,且其本身的粗糙结构对其表面浸润性的改性具有一定的优势。基于浸润性的概念和改性原理,总结了纤维素基材料在疏水、超疏水和亲水疏油三个改性方向上的表面浸润控制技术,重点阐述纤维素基材料的表面超疏水改性技术。     

超疏水纤维素复合气凝胶的制备及其油水分离

纤维素气凝胶因具有强亲水性和低油水选择性,且目前纤维素气凝胶表面的疏水化处理过程较冗长,限制了其在油水分离领域的应用。为了解决上述问题,笔者以硫酸水解微晶纤维素制备得到的纳米纤维素(CNC)为原料,利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)在水相中对其进行硅烷化改性,通过冷冻干燥得到了硅烷化纤维素复合气凝胶。结果表明:所制备的纤维素复合气凝胶具有轻质、多孔特性,随着MTMS添加量的增加,密度逐渐升高(≤0.012 0 g/cm^3),孔隙率略有下降; MTMS的加入对纤维素复合气凝胶的微观形貌影响不大,其骨架结构以二维片层形貌为主,聚甲基硅氧烷均匀地包覆在纤维素片层表面; MTMS的加入使纤维素复合气凝胶的热稳定性明显提高,且未改变纤维素气凝胶的晶型结构,但导致其结晶度逐渐下降。纤维素复合气凝胶的表面接触角随着MTMS添加量的增加而升高,最高达到153.7°,表现出优异的超亲油/超疏水性能。作为吸油材料,超疏水纤维素复合气凝胶不仅可以吸附多种油类和有机溶剂(吸附容量达到52～121 g/g),而且表现出很好的循环使用性能。     

硫氰酸钾/乙二胺(KSCN/ED)体系制备纤维素水凝胶

采用硫氰酸钾/乙二胺(KSCN/ED)溶解体系制备纤维素水凝胶,分析纤维素质量分数、溶解时间、溶解温度对水凝胶性能的影响。采用紫外可见分光光度计、电子万能试验机、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)和热分析仪(TGA)等对所制备纤维素水凝胶的透光率、压缩性能、形貌特征、谱学性能、晶体强度和热学性能进行分析表征。结果表明,在溶解时间4 h,温度90℃,纤维溶度4%的工艺下所制备的水凝胶应力-应变曲线表现出非线性特征,表明材料具备较好的黏弹性。纤维素水凝胶内部由均匀的球状粒子(直径为10~50 nm)和致密多孔的三维网状结构组成;XRD分析结果表明,纸浆纤维在溶解过程中晶型发生转变,由纤维素Ⅰ型转变为Ⅱ型。TGA分析结果表明,纤维素水凝胶的热分解温度为315.8℃,热稳定性较原料有所降低。硫氰酸钾/乙二胺作为一种纤维素溶解体系制备纤维素水凝胶具有操作简单、高效、可回收利用等优点。     

纳米纤维素基水凝胶的制备及其在生物医学领域的应用进展

纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystals,CNCs)和纤维素纳米纤维(cellulose nanofibrils,CNFs)具有独特的理化性质,例如,比表面积高(100 m2/g)、机械性能优越(弹性模量130～150 GPa)、密度低(低至1.6 g/cm3)、膨胀系数小(低至0.1×10-6/K)、生物相容性好、表面多羟基结构容易进一步修饰等,且原料易得、可再生和生物降解,是理想的先进功能材料构建砌块,已被证明是具有良好应用前景的生物基纳米材料。近年来,纳米纤维素基水凝胶引起了大量的关注,并且其在生物医学领域的应用得到了广泛研究。笔者主要综述了CNCs和CNFs基水凝胶的制备及其在生物医学应用的研究进展。首先介绍了制备CNCs基水凝胶的物理交联法和化学交联法,以及CNFs与金属离子交联、CNFs与聚合物交联两种制备CNFs基水凝胶的方法;其次重点介绍了CNCs和CNFs基水凝胶在药物递送、创伤敷料和组织工程支架中的应用;最后总结了CNCs和CNFs基水凝胶在生物医学领域的应用前景和面临挑战,并指明了CNCs和CNFs基水凝胶在生物医学领域研究的发展方向。     

功能性纤维素基水凝胶材料及其应用研究进展

水凝胶是一类经物理或化学交联形成具有独特三维网络结构的软物质材料,具有良好的生物相容性、优异的柔韧性、结构可设计性和功能可调性,在多功能材料领域备受关注.纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子材料,除了生物相容性好、可生物降解和可再生等优点,纤维素大分子链上的多羟基结构具有形成多重氢键作用的特点,易与水凝胶基体形成良好...     

甲基丙烯酸化木质素磺酸钙/聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备与性能研究

以木质素磺酸钙(CLS)为原料,通过化学改性制备了甲基丙烯酸化木质素磺酸钙(MLS),然后以MLS为交联剂与丙烯酰胺(AM)、聚乙二醇6000通过一步自由基聚合反应制备了具有半互穿网络结构的MLS/PAM复合水凝胶。通过红外光谱表征了其结构,并分析了其机械性能、吸水性能及吸附性能。研究结果表明:在该MLS/PAM复合水凝胶中MLS作为化学交联剂与丙烯酰胺通过自由基聚合形成化学交联网络,聚乙二醇6000作为线性聚合物穿插于化学交联网络中形成半互穿网络结构。性能分析发现:MLS/PAM半互穿网络复合水凝胶具有优异的压缩性能和吸水溶胀性能,且随着MLS用量由5%增加到15%,复合水凝胶在压缩应变为87.5%时的压缩应力由2.39MPa增加到3.74MPa,含凝胶量从37.06%增加到40.81%,平衡溶胀率从23.1 g/g降低至17.9 g/g。此外,MLS/PAM半互穿网络复合水凝胶对有机染料亚甲蓝的吸附能力随着MLS用量的增加而增加。     

超疏水磁性纤维素气凝胶的制备及其吸油性能

以水溶性的甲基纤维素和磁性Fe_3O_4纳米粒子为原料,经过共混、环氧氯丙烷交联及冷冻干燥等过程制备了磁性纤维素气凝胶,并进一步以十六烷基三甲氧基硅烷(HDTMS)为改性剂,通过化学气相沉积法对气凝胶进行改性,得到超疏水磁性纤维素气凝胶材料。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和光学接触角测量仪对气凝胶的结构性能进行表征分析,结果表明所制备的气凝胶具有三维贯通的多孔网络结构,表面改性没有改变气凝胶的微观结构;经HDTMS修饰后的磁性纤维素气凝胶具有超疏水和超亲油性能(水接触角为150.4°,油接触角为0°)。气凝胶展现出良好的油/水选择性和较高的油吸附能力,对多种油品和有机溶剂的吸附量达到45～98 g/g;吸油后的气凝胶可通过磁铁快速回收。气凝胶具有可多次循环使用的性能,循环使用30次后吸附能力仍然保持在80%以上,可以通过简单的力学挤压把吸附的油挤出来,使得废油的回收利用过程变得简单,同时也有利于节约吸附材料,降低油水分离成本。     

高力学强度羟乙基纤维素/聚丙烯酸复合水凝胶的制备

利用丙烯酸(AA)单体自由基聚合的方法,将羟乙基纤维素(HEC)作为大分子交联剂,引入聚丙烯酸(PAA)水凝胶中,制备了一种具有氢键交联网络结构的羟乙基纤维素/聚丙烯酸(HEC/PAA)复合水凝胶。当HEC质量分数(以水凝胶固含量计)为20.0%、33.3%、42.9%、50.0%和55.5%时,制备的复合水凝胶分别标记为HEC/PAA-1~HEC/PAA-5。采用力学测试和红外光谱(IR)等手段对水凝胶的性能和结构进行了研究。力学测试结果表明:相比于PAA水凝胶较弱的机械性能,复合水凝胶HEC/PAA-2的压缩强度能达到9.52 MPa,对应的压缩断裂应变为91%,压缩断裂能量达到了513.6 kJ/m~3;同时,HEC/PAA水凝胶还表现出了优异的拉伸性能与可恢复性能,HEC/PAA-4的拉伸断裂应力为224.3 k Pa,断裂伸长率为198%,拉伸断裂能量为219.5 kJ/m~3。HEC/PAA-2溶胀150 h时的吸水溶胀率为2.23 g/g。以上结果表明:HEC/PAA复合水凝胶具有的优异力学性能可能源于PAA大分子与HEC大分子之间的氢键作用,它构成了复合水凝胶特殊的网络结构。     

纤维素基水油分离材料的研究现状

随着全球经济的快速发展,大量油性废水从人们的日常生活和工业中被排放出来,泄油事件也频繁发生,已造成严重的环境问题,因此油水分离材料的研究受到越来越多的关注。纤维素具有很好的生物降解性、生物相容性和力学性能,将纤维素纳米纤维、纤维素纳米晶、微晶纤维素等不同形态的纤维素通过功能化修饰后可以制备出具有优异水油分离效果的纤维素气凝胶、水油分离膜或改性纤维素滤纸;而直接对木材或棉纤维进行脱木素处理也可以得到高吸油性的水油分离材料。纤维素基水油分离材料不仅疏水性好且吸油倍率高,还具有可循环使用以及无二次污染等诸多优点。笔者介绍了近年来以天然生物质中的纤维素为基材构建各类水油分离材料的研究现状,并对不同类型水油分离材料的吸油疏水特性进行阐述,还对制备工艺过程中存在的问题以及未来的研究发展方向进行了展望。以天然纤维素为基体材料制备绿色环保功能型水油分离材料对于可持续发展具有重要的意义,而探索出更加绿色环保、制备工艺简单、低成本,且加工剩余物对环境不会造成二次污染的制备方法,并提高纤维素基水油分离材料的机械性能和重复使用性等是今后研究的重点。     

生物质基刺激响应型水凝胶研究进展

刺激响应型水凝胶是一种快速发展的新型功能高分子新材料,该水凝胶可以主动感受外部环境的差异,并以体积的溶胀或收缩等特定的方式将其感受到的变化反映到外界,在生活和生产的众多领域中显示出巨大的应用潜力。生物质原料作为可再生的自然资源,近年来已被广泛应用于制备刺激响应型水凝胶,特别是随着可控/活性聚合、点击化学、动态共价键、超分子自组装、超分子聚集态调控等分子工程技术的快速发展和应用,能在一定程度上克服生物质大分子本身的结构缺陷,构筑出含有生物质原料分子独特结构的刺激响应型水凝胶,并促进了生物质利用的新型绿色合成策略、多功能化技术、简单模块化的合成工艺、现代生物技术等技术的发展。本文从刺激响应型水凝胶的刺激响应方法和类型出发,分别介绍了温度响应型、酸碱响应型、光响应型、电响应型、磁响应型和多重响应型6种类型水凝胶,重点阐述了生物质原料独特分子结构对刺激响应型水凝胶性能的影响机制,总结了不同环境响应型生物质基水凝胶在药物控释、生物组织工程、生物传感器、吸附材料、细胞培养和抗菌材料等方面的应用,并展望其未来发展方向。     

生物质纤维素基碳气凝胶材料研究进展

作为一种新型轻质多孔的功能性气凝胶,生物质纤维素基碳气凝胶具有独特的各向同性三维网络层级结构,该结构使生物质纤维素基碳气凝胶兼具气凝胶的高比表面积、高孔隙率、低密度以及碳材料的耐热性、导电性和生物质材料的可降解性、生物相容性,是近年来纳米功能性材料领域的研究热点之一。生物质纤维素基碳气凝胶原材料来源广泛,包括木材、竹材、果蔬等植物及其加工物、海洋生物和细菌等。基于原料形态不同,本研究将生物质纤维素基碳气凝胶的制备方法归结为凝胶炭化法和生物质直接炭化法,并详细介绍2种方法的制备工艺。基于生物质纤维素基碳气凝胶独特的层级孔状结构,本研究概述碳气凝胶的轻质多孔、疏水性、稳定性和导电性以及生物质纤维素基碳气凝的金属掺杂和杂原子掺杂改性,这些优异的材料特性使其在隔热、电化学、吸附等领域有着广泛应用,并有望渗透到药物缓释、抗菌材料、组织工程和电磁屏蔽等更多的前瞻性新兴材料领域。围绕生物质纤维素基碳气凝胶的功能化制备、性能表征和应用,创新性的研究理论和研究方法正在不断涌现,本研究在深入分析研究现状的基础上,展望生物质纤维素基碳气凝胶未来的研究方向和发展前景。生物质纤维素基碳气凝胶作为一种新型绿色材料,以其独特的热学、电学、光学及力学性能,可为生物质的高值化、功能化应用提供更多的研究思路,具有更加广泛的应用前景。     

纤维素非均相ATRP接枝聚合的研究进展

综述了近十年来ATRP法非均相接枝改性制备纤维素基功能材料的研究进展,重点描述了抗菌材料、超疏水材料、智能响应材料、生物相容性材料、吸附剂材料、增强复合材料等新型纤维素基功能材料的ATRP制备过程、新性能及在不同领域的应用,并分析了纤维素非均相ATRP接枝聚合中存在的问题及今后的发展前景。     

葡聚糖基水凝胶的制备及其应用的研究进展

葡聚糖是一种生物性多糖,主链上含有很多游离的羟基,易于修饰和交联。葡聚糖水凝胶具有良好的溶胀性、生物相容性、生物可降解性,在物质分离、药物缓释和组织工程等领域具有较好的应用前景。论文综述了近年来葡聚糖水凝胶的几种常见的制备方法,即反复冷冻-解冻法、化学交联法、接枝改性法、自由基聚合法,并对其在分离吸附、药物缓释、组织工程、医用材料等方面的应用研究进行综述,同时对其未来发展进行了展望。     

农林生物质材料基水凝胶的研究进展

综述了以纤维素、半纤维素、木质素、淀粉为原料制备水凝胶的研究进展,探讨了它们通过氢键、静电力及化学键合等结合方式如何制备水凝胶三维网络结构,以及这些水凝胶在生物医药、组织工程和污水处理等领域的应用前景。     

混合溶剂溶解木粉制备注塑级生物基塑料的研究

为了实现农林废弃物资源化利用,以胡桑枝条为原料制备可注塑的生物基塑料。以二甲亚砜(DMSO)/四乙基氯化铵(TEAC)复合溶剂为改性试剂,通过对球磨木粉简单的溶解和析出,进行塑化改性处理。TEAC在改性过程中逐渐渗透到纤维素分子链之间,(C2H5)4N+和Cl-分别与纤维素羟基结合形成配位键和氢键,阻碍分子链间氢键的形成,使改性产物具备热塑性,成功制备出注塑级生物基塑料。将改性产物与一定量的三乙酸甘油酯(GT)共混挤出改善其力学性能,并研究复合溶剂中TEAC与DMSO的质量比、挤出温度、螺杆转速和GT添加量对生物基塑料的拉伸、弯曲强度的影响。实验结果表明:挤出温度和螺杆转速过高或过低都不利于产物的热塑加工,当TEAC与DMSO质量比为5∶16时得到的改性产物与GT在双螺杆挤出机中进行挤出,挤出温度为140℃,螺杆转速为60 r/min,GT添加量为5%时制备生物基塑料力学性能最优,拉伸强度和弯曲强度分别达到16.33和34.71 MPa。     

点击化学在木质纤维素化学修饰中的研究现状

化学修饰可改善木质纤维素和聚合物基质的相容性且使其具有特定功能。点击化学作为化学修饰的一种重要方法,是由2001年诺贝尔化学奖获得者Sharpless首次提出的,主要包括铜催化叠氮-炔基环加成反应(CuAAC)、环张力催化叠氮-炔基环加成反应(SPAAC)、巯基-烯/炔点击反应(Thiol-Ene/Yne)和狄尔斯-阿尔德尔环加成反应(Diels-Alder)等反应类型。相比传统接枝修饰方法,点击化学具有反应条件温和、环境污染小、副反应少、分离提纯简单、产量和效率高等优点,在木质纤维素的化学修饰方面已有相关应用。在点击反应方法方面,CuAAC反应是一种最普遍的点击反应类型,也是对木质纤维素化学修饰应用最多的一类反应;但CuAAC反应后催化剂很难移除,在一定程度上限定了反应后产品的用途,将Cu(I)通过共价键结合在纳米纤维素气凝胶的表面能使点击反应中的铜有效回收。相比CuAAC反应,Thiol-Ene/Yne反应不需要有毒的铜作为催化剂。点击化学在纤维素的研究方面,将纤维素自身或与聚合物进行点击反应能制备水凝胶和片状纳米纤维素凝胶;此外,荧光标记的纤维素材料能证明点击反应的发生,通过2种点击反应能制备多色荧光标记的纳米纤维素材料。点击化学在半纤维素和木质素的研究方面,木聚糖通过与聚乳酸进行点击反应形成共聚物,能降低玻璃化转变温度,提高热分解温度。通过CuAAC反应能形成苯三唑连接高产率的邻位木糖苷和木二糖苷。木质素和聚苯乙烯通过点击反应能制备一种热塑性聚合物。此外,通过生物正交点击化学能描述活体植物细胞壁的木质化过程。点击化学在木质纤维素上的应用还没有深入研究,扩大点击化学在木质纤维素上的应用范围仍然需要进一步探索。由于点击反应的条件比较温和,很多反应都能在室温下进行,非常有利于在生物医用材料领域的研究,并且纤维素和半纤维素等多糖又具有良好的生物相容性,为纤维素和半纤维素在生物领域的应用创造了有利条件。此外,由于铜催化的毒性作用,无铜催化的点击反应可能会作为一个重要发展方向,像环张力催化叠氮-炔基环加成反应、Diels-Alder反应和Thiol-Ene/Yne反应。     

纳米纤维素晶须增强生物聚酯P(3,4)HB复合材料

由于纳米纤维素晶须(CNW)表面含有丰富的羟基,亲水性强,制约了其在疏水性聚合物体系中的应用。本研究以硅烷偶联剂KH-550对纳米纤维素晶须进行改性,降低其表面的亲水性,再以改性后的纳米纤维素晶须(STCNW)为增强相、可生物降解聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3,4)HB]为基体,采用溶液浇铸法制备P(3,4)HB/STCNW纳米复合材料。通过傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射仪、接触角测试、扫描电镜、偏光显微镜、拉伸测试和热重分析仪等对其微观结构、表面形貌、结晶行为、力学性能和热稳定性等进行表征与分析。结果表明:改性后的纳米纤维素晶须具有良好的疏水性,可均匀分散在P(3,4)HB基体中形成纳米复合结构,能促进P(3,4)HB结晶的形成,提高基体的拉伸强度和弹性模量等力学性能,但热稳定性稍差。     

纤维素纳米纤维增强聚合物复合材料研究进展

纤维素纳米纤维(cellulose nanofiber,本文缩写为CNF)因其独特的网状结构和性能特点,在增强聚合物制备复合材料方面发展迅速.简述CNF的制备及特征;然后从改善团聚、提高界面相容性的角度,介绍对CNF进行表面衍生化、表面接枝和添加偶联剂等表面化学改性研究及改性后CNF的性能特点;简述利用CNF增强聚乙烯醇、聚乳酸、环氧树脂、酚醛树脂等聚合物的研究进展;最后对CNF增强聚合物复合材料今后的主要研究方向进行展望.     

高分子多糖水凝胶功能材料研究与应用进展

与传统高分子水凝胶材料相比,高分子多糖水凝胶因其具有环境友好型、生物相容性、特殊功能性、生物可降解性等优势而倍受重视。综述了以植物多糖、海洋多糖、微生物多糖及其复合多糖为原料的多糖水凝胶功能材料的制备方法、功能特性和产品表征方法,介绍了多糖水凝胶材料在医药卫生、食品、化妆品、农业和环保等领域的应用情况,分析了多糖水凝胶在生物传感器、生物反应器、人工智能材料和抗菌材料等领域的应用前景,并指出提高材料性能与功能特性、分析凝胶形成机理和功能材料模拟等是未来多糖水凝胶研究的重点。