木质素-κ-卡拉胶冷冻凝胶与气凝胶：结构特性与溶胀行为的创新研究

《International Journal of Cardiology Congenital Heart Disease》：Lignin-kappa-carrageenan cryogels and aerogels: Structure and swelling analysis

本文系统比较了超临界二氧化碳干燥（SD）与冷冻干燥（FD）技术对木质素磺酸钠（LNaS）与κ-卡拉胶（KC）复合多孔材料结构性能的影响。研究表明，SD技术可形成纳米纤维状介孔结构（10 nm），比FD形成的无序大孔结构（30 μm）比表面积显著提升（60–90 m2·g?1），并遵循伪二级动力学模型实现400%–1000%的高溶胀率。该研究为生物质衍生碳材料（CAs）在组织工程和污染物吸附等领域的应用提供了新策略。

　　

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Materials

Sigma-Aldrich（默克公司，西班牙）提供了纯度96%的木质素磺酸钠（LNaS）（平均分子量52 kDa）和纯度100%的κ-卡拉胶（KC）（平均分子量900–1100 kDa），后者作为胶凝剂使用。水凝胶合成采用实验室蒸馏器制备的分析纯水。绝对乙醇（纯度99.9%）用于将水凝胶转化为醇凝胶，购自意大利Carlo Erba公司。

Rheology of composites

首先，表2展示了KC-LNaS前体水凝胶的储能模量（G′）和损耗模量（G″）的平均结果。可以看出，G′始终高于G″。事实上，所有复合材料均表现为强凝胶体系，具有类固体行为——G′始终大于G″，且随角频率增加呈现线性趋势。例如，图2a）展示了含1% w/v KC的KC-LNaS复合材料中储能模量随角频率的变化情况。

Conclusions

本研究采用不同干燥技术（冷冻干燥和超临界二氧化碳干燥）制备了基于木质素磺酸钠（LNaS）和热敏性多糖κ-卡拉胶（KC）的多孔固体材料（冷冻凝胶和气凝胶）。通过场发射扫描电镜（FESEM）、比表面积分析（BET）、红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）和溶胀实验对干燥后材料的结构、织构及热性能进行了对比。

振荡测试表明，材料形成强凝胶（G′超过100,000 Pa），且红外光谱证实静电相互作用是网络形成的主要机制。超临界干燥成功构建了纳米纤维状介孔结构（孔径约10 nm），而冷冻干燥仅得到无序大孔结构（孔径约30 μm）。前者比表面积显著提升（60–90 m²·g^?1），且溶胀率最高（400%–1000%），溶胀过程符合伪二级动力学模型。热重分析揭示，超临界干燥前的溶剂置换步骤可选择性去除木质素。数值模拟（流体体积法）进一步证实，超临界干燥材料孔隙内流体置换速率极快（＜1 s），展现出优异渗透性。