用于热管理和漏油清理的基于纤维素的分级多孔复合气凝胶

《Separation and Purification Technology》：Hierarchically porous cellulose-based composite aerogel for thermal management and clean-up of spilled-oil

　　

摘要

为提高生物质材料利用的多样性，克服传统吸附和隔热材料的局限性，本研究设计了一种多功能梯度生物质复合气凝胶。香蒲纤维是一种具有天然凹槽结构和良好亲油性的生物质纤维材料。该复合气凝胶以微纤化芳纶纤维为支撑材料，以香蒲纤维和纳米晶纤维素为混合基础骨架，并涂覆有机硅改性表面层。所获得的多功能气凝胶具有低密度（7.4–18.3 mg/cm³）、超高孔隙率（98.14%）、良好的疏水性（140.3°）以及优异的机械性能。该气凝胶表现出优异的隔热性能（0.034 W/(m·K)）和高吸油性能（110.3 g/g），能够在保持良好可回收性的同时高效选择性吸附水中的油污污染物。本研究提出了一种设计多功能天然纤维基多孔材料的综合策略，在隔热和溢油处理方面具有广阔的应用前景。

引言

气凝胶具有极低密度和高孔隙率的特点，在诸多应用领域展现出巨大潜力，如储能[1]、环境修复（如污染物吸附）[2]、化学与生物传感、声学隔热[3]以及国防相关技术[4]。近年来，由合成硅、碳纳米管和石墨烯衍生而来的气凝胶结构在多个先进科技领域展现了显著的功能多样性和性能优势，推动了应用研究的快速增长[5]。然而，其广泛商业化应用仍受到若干关键挑战的阻碍，包括原料和设备成本过高、合成工艺复杂且步骤繁多、制造过程中产生有害副产物，以及生产和废弃处置过程中不可忽视的环境影响。这些限制阻碍了该材料的大规模生产和工业应用。因此，当前研究重点正逐渐转向气凝胶的合理设计与可持续发展，强调成本效益、工艺简便性和环境友好性。

生物质材料具有来源广泛、成本低廉、可生物降解和可再生等优势，常被视作废弃物。因此，对具有独特结构和性能的生物质材料进行回收利用具有重要意义。目前，气凝胶的制备已广泛应用于棉花、木材、稻草和虾壳等各种天然生物质材料。采用一步共组装方法制备的模拟荷叶结构纤维素气凝胶，其功能化表面采用疏水性微纳分级结构，表现出优异的吸油性能（最高达60.2 g/g），但其隔热性能较低（约0.075 W/(m·K)）[6]。此外，Mulyadi等人以纤维素纳米纤维（CNFs）为原料，通过原位接枝苯乙烯-丙烯酸共聚物制备了无氟疏水气凝胶，但其最大吸油量仅为46.6 g/g，且首次吸油后大孔发生不可逆永久坍塌，导致吸油能力下降了60%[7]。Cao等人利用天然壳聚糖和双向冰模板组装技术制备了全生物基超轻弹性气凝胶，其热导率为0.044 W/(m·K)，最大吸附量为100.3 g/g[8]。因此，利用丰富且低成本的生物质纤维制备具有优异机械性能和结构稳定性的功能气凝胶仍然是一项重大挑战[9]、[10]。

香蒲纤维具有竹节状骨架，中间凹陷，两侧边缘突出，形成典型的π形截面几何形状。由于表面蜡质层赋予的天然疏水性和极低密度（约5–10 mg/cm³）[3]、[11]，香蒲纤维具有优异的浮力性能。这些独特性质使香蒲纤维特别适合作为高级应用材料，成为吸油和隔热应用的理想选择[12]。此外，它们在废水处理[13]、功能纺织品[14]、生物医药和热绝缘[15]等领域也引起了广泛的研究兴趣。原始香蒲纤维具有一定的吸油能力[16]，但由于吸附效率低、结构稳定性差以及在回收过程中纤维易团聚，其实用性受到限制[17]、[18]。Cui等人制备了未改性的香蒲纤维垫用于油水分离，吸油量仅为18.2 g/g，且由于纤维结合力弱，经过三次吸附-脱附循环后性能迅速下降[19]。此外，Liu等人通过化学交联和超临界干燥制备了改性香蒲纤维气凝胶，吸油量达到45.3 g/g，但依赖于高成本的干燥设备和有毒交联剂[20]。Youn等人制备了孔隙率提高的碳化香蒲气凝胶，但高温碳化过程导致纤维碳化脆化和结构脆弱，同时能耗较高、环境可持续性较差，而孔径分布不均匀进一步削弱了其长期结构稳定性和吸附一致性[21]。因此，有必要开发一种简单绿色的策略，构建具有优异机械强度、均匀多孔结构和持久疏水性的功能香蒲纤维基气凝胶，以满足各领域的应用需求[7]、[22]。

因此，为了利用废弃的天然生物质材料，我们选择了资源丰富、具有疏水性和独特微观结构的香蒲纤维作为原料。通过将简单高效的疏水功能化与冷冻干燥技术相结合，成功制备了一种具有连续多孔结构、环保且可重复使用的香蒲基气凝胶。所获得的气凝胶表现出优异的综合性能，孔隙率约为98.14%，密度约为7.4 mg/cm³，水接触角为140.3°，表现出良好的疏水性和自清洁能力。同时，气凝胶的热导率为0.034 W/(m·K)，具有高吸油容量（110.3 g/g），并具有优异的油水分离性能。该气凝胶可通过简单的挤压方式回收油。综上所述，本研究开发的简化制备工艺以及气凝胶的优异性能，为其在油污处理和热绝缘等实际应用中奠定了坚实基础。

章节摘要

材料

固含量为1.97%的纳米晶纤维素（NCC）由天津木神生物科技有限公司（中国天津）提供。纳米晶纤维素主要通过水解针叶木浆纤维制备。该纤维素由直径约3–20 nm、长度200–300 nm的纳米纤维组成。微纤化芳纶纤维（ANF）由天津木品生科技有限公司提供。微纤化芳纶纤维的长度约为

形貌与结构

采用扫描电子显微镜系统地研究了原始香蒲纤维和所得复合气凝胶的微观结构特征。如图2a所示，复合气凝胶内部呈现出分级互连的多孔复合骨架结构，这是由于纤维素、香蒲纤维和微纤化芳纶纤维在冷冻干燥过程中自组装和纠缠所形成的。这种

结论

香蒲纤维是一种具有天然凹陷形貌和良好亲油性的生物质纤维材料，已被广泛应用于吸油和隔热领域。本研究通过简便的冷冻干燥方法和有机硅表面改性，成功开发了一种多功能分级香蒲纤维基复合气凝胶。所得气凝胶具有超低密度（7.4–18.3 mg/cm³）和高孔隙率（超过98.14%）。该气凝胶

作者贡献声明

张玉龙：研究、撰写——原稿。葛鹏：撰写——审阅与编辑、方法论。陈茂龙：撰写——审阅与编辑。郭家浩：撰写——审阅与编辑。马诗尧：验证、研究。屠乐曦：撰写——审阅与编辑。张慧敏：方法论、研究、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能影响本文所述工作。

致谢

本研究受辽宁省高校基本科研业务费专项资金（大连工业大学）资助（项目编号：LJBKY2024019和LJBKY2025001和LJBKY2026004）。辽宁省博士启动基金（项目编号：2025-BS-0473）。

张玉龙|葛鹏|陈茂龙|郭家浩|马诗尧|屠乐曦|张慧敏

大连工业大学纺织与材料工程学院，中国大连116034