具有刚柔双层结构的甲壳素纳米晶/羧甲基纤维素乳液实现鱼油超稳定封装

为解决传统气凝胶在环境修复中存在的脆性大、吸油能力有限及粘性原油分离效率低等问题，研究人员通过软硬协同策略结合定向冷冻技术，以细菌纤维素(BC)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和羟基化碳纳米管(HCNT)为原料，开发了兼具电热与光热效应的多功能超疏水气凝胶。该材料具有定向层状多孔结构，压缩回弹性优异（250次25%应变循环无结构破坏），在pH 1-13范围内保持153°以上水接触角，对有机溶剂吸附容量达45-112 g/g，并能通过毛细管锁定保留96%的二氯甲烷。其光热(117.7°C)和电热(126.7°C)高效转换特性实现了粘性原油/水混合物的快速连续分离（最高通量8.15×104 kg·m?3·h?1），为复杂环境下的油水分离提供了创新解决方案。

　　

随着工业活动加剧，原油泄漏和含油废水污染已成为全球性环境挑战。传统处理方法如现场焚烧、化学絮凝等存在成本高、二次污染等问题，而常规气凝胶又面临脆性大、疏水性不稳定等瓶颈。尤其对于高粘度的原油，其低温流动性差导致分离效率低下，亟需开发兼具机械稳定性、持久超疏水性和主动加热功能的新型材料。

广东工业大学的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表研究，通过"软硬协同"策略将细菌纤维素(BC)的柔性网络与甲基三甲氧基硅烷(MTMS)的刚性结构结合，引入羟基化碳纳米管(HCNT)构建多功能气凝胶。关键技术包括：定向冷冻调控孔道结构、MTMS水解缩合构建疏水界面、HCNT分散增强光/电热转换。研究采用SEM、FTIR、接触角测试等手段系统表征材料性能。

【材料与结构】
SEM显示定向冷冻形成层状多孔结构（孔隙率＞95%），MTMS水解生成的聚甲基倍半硅氧烷(PMSQ)包裹纤维网络，XPS证实Si-CH₃成功接枝。HCNT均匀分散构建三维导热通路，使材料电阻率降至1.8×10³ Ω·cm。

【机械性能】
压缩测试表明材料在25%应变下循环250次后高度保持率＞90%，优于传统BC气凝胶（50次循环即坍塌）。这种增强源于PMSQ与BC纤维的共价交联，以及HCNT的骨架支撑作用。

【界面特性】
接触角测试显示材料在酸碱极端环境(pH 1-13)下仍保持153°超疏水性，经砂纸磨损500次后接触角仅下降4°。这种稳定性得益于非水解性Si-CH₃的化学锚定作用，避免了传统涂层易脱落的问题。

【分离性能】
在1太阳光强照射下，材料表面温度10分钟内升至117.7°C，使原油粘度下降98%。结合定向孔道的毛细作用，实现4.47×10⁴ kg·m^?3·h^?1的高通量分离。电热模式下（5V电压）更可达8.15×10⁴ kg·m^?3·h^?1，且能耗低于常规电加热膜。

该研究通过分子尺度设计实现了材料机械性能、界面特性和功能响应的协同优化。所开发的气凝胶不仅解决了传统材料对粘性原油分离效率低的问题，其耐候性和可重复使用性（20次循环后性能保持率＞95%）更使其具备实际应用潜力。这种将生物基材料与功能纳米材料相结合的策略，为开发下一代环境修复材料提供了新思路。