细菌纤维素基复合气凝胶的制备与性能研究

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纤维素气凝胶具有高孔隙率、高比表面积、易降解等优良特性,其三维多孔的网络结构使得气凝胶在新材料领域具有独特的应用价值。本文采用紫外光交联与冷冻干燥相结合的方法,制备了细菌纤维素(BC)/聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐缩合物(PVA-SbQ)复合气凝胶,并通过化学气相沉积法对复合气凝胶进行硅烷化改性,获得了疏水亲油的效果,探讨了该材料的吸油性、保油性及重复利用等性能,提出了复合气凝胶的吸油机理。主要研究内容和结论如下:BC/PVA-SbQ复合材料经过紫外光交联形成复合凝胶,再进行冷冻干燥制备了BC/PVA-SbQ复合气凝胶。借助扫描电镜(SEM)、全自动比表面积仪(BET)、X射线衍射(XRD)、拉伸断裂强力仪等对复合气凝胶的表面形貌、内部孔隙结构、热学稳定性和机械性能进行表征分析,运用DCAT-21表面张力仪对气凝胶的表面润湿性及吸液性能进行研究。研究结果表明,BC与PVA-SbQ结合后,随着PVA-SbQ浓度的提高,纤维结构逐渐消失,成复合膜状结构;添加PVA-SbQ后,细菌纤维素的规整性遭到破坏,复合物的结晶度降低;两种大分子之间存在较强的氢键作用导致复合气凝胶的热稳定性提高:在较低PVA-SbQ浓度下,复合气凝胶的断裂强度提高,当PVA-SbQ添加含量过高时,复合体系中BC作为主导体系削弱,导致复合材料断裂强度下降;PVA-SbQ的亲水性,使复合气凝胶的吸液性能提高。为了优化复合材料的吸液性及复合溶液的可调控性,经过反复多次试验探究,首次提出采用高速匀浆机将细菌纤维素水凝胶分散成纳米纤维素悬浮液,与PVA-SbQ溶液进行紫外光交联,形成复合凝胶,再进行冷冻干燥,最终制得PVA-SbQ/BC复合气凝胶。考察了不同浓度PVA-SbQ对复合产物的孔隙结构、晶体结构、力学性能的影响,并对水及不同油品的动态吸液过程进行分析。研究结果表明,复合气凝胶呈现互相贯穿孔结构,具有较高的孔隙率(94%),较低的密度(0.02g/cm3),孔和孔之间呈现细胞壁状结构,彼此相互粘连:随着PVA-SbQ添加比例的增加,复合气凝胶的杨氏模量及其断裂强度提高;该复合气凝胶对液体具有良好的吸附性;通过复合气凝胶对液体的吸附过程分析,为材料的动态润湿性研究提供理论依据。运用化学气相沉积法将优化的PVA-SbQ/BC复合气凝胶进行疏水化改性,制备了疏水复合气凝胶。所制备的疏水复合气凝胶仍然具有多孔的三维网络结构,对机油、二甲基硅油、豆油的最大吸油量分别为51g/g,52g/g,42g/g;该复合气凝胶具有良好的结构稳定性可用于重复吸油;制备的复合气凝胶的油水分离性能良好,对水面浮油具有很高的分离效率。
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