随着生物化学和生命科学等领域的快速发展,酶工程成为研究热点;然而由于游离酶的结构敏感、易失活失效、且回收利用困难等,极大限制了它的发展和应用.通过吸附等手段将酶固定到特定载体中,可以提高酶活性和稳定性.本研究采用原位生长法制备结构规整的纤维素气凝胶@沸石咪唑酯骨架材料-8(ZIF-8)复合材料,并通过ZIF-8与蛋白之间的多重相互作用成功将溶菌酶固定;考察了pH值、盐浓度、吸附时间和吸附浓度对复合材料吸附性能及对固定化性能的影响.研究结果表明,纤维素气凝胶@ZIF-8对溶菌酶的最大固定化值为111.3 mg/g,并可在40 min内即可达到吸附平衡.催化实验研究结果发现,与游离酶相比,纤维素气凝胶@ZIF-8固定的溶菌酶具有更佳的催化效果.
木质素是自然界中含量第二丰富的天然高分子聚合物,也是芳香族化合物中少有的可再生资源之一,作为制浆造纸行业的主要副产物,工业木质素价廉易得.鉴于木质素自身的三维网状结构及丰富的醇羟基、酚羟基、双键等活性官能团,其具备了抗菌、抗炎、吸附等诸多优势,是制备水凝胶的理想选材.但遗憾的是由于木质素结构复杂、空间阻力大、反应活性不足,其提纯处理较为困难、高值化和产业化利用水平较低.利用木质素及其衍生物制备水凝胶既拓宽了其应用范围,又能较好解决现阶段合成高分子水凝胶存在的生物相容性差等问题.基于此,本文从木质素的结构和性质出发、归纳了木质素基水凝胶材料的主要制备方法及优缺点,总结了其在生物医学、污水处理、农业、电子器件等方面的应用现状,并进一步提出了木质素基水凝胶材料现阶段研究中存在的局限性和今后可能的研究前景.
本研究提出了一种铜盐辅助纳米木质素基气凝胶的快速合成方法,实现了具有显著微孔特征和三维(3D)互联结构的碳气凝胶制备.以绿色低共熔溶剂(DES)为反应溶剂,原位添加铜盐催化剂,快速合成了纳米木质素基碳气凝胶前驱体(LRF),经过高温一步热解处理得到木质素基碳气凝胶(LRFC).研究结果表明,铜盐的原位掺杂加快了胶体形成的反应速率,缩短了LRF的成胶时间.其中,Cu(NO3)2的原位催化效果最好,可使得LRF凝胶点缩短至2.5 h;同时,其相应的碳气凝胶(N-LRFC)的微孔率高达94.44%,孔径集中分布在1 nm;在电流密度为0.5 A/g时,N-LRFC的比电容最高可达347.6 F/g,表现出优异的电化学性能,且在电化学过程中其扩散控制占主导地位.
木质生物质作为储量最丰富的生物质资源,因具有可再生性、良好的生物相容性和生物可降解性等特点而在众多研究领域备受瞩目.木质生物质通过改性构建的黏附水凝胶除具有上述特性外,还被赋予了高强度、高韧性、抗菌或抗紫外线等特殊功能,使其在生物医学、传感等领域具有广泛的应用前景.本文围绕木质生物质基黏附水凝胶的网络构筑方式,从共价键、非共价键和动态可逆键三方面介绍了不同木质生物质基黏附水凝胶的特点与形成机理,并综述了其在伤口修复、智能可穿戴设备和食品等领域的最新应用进展.最后,对木质生物质基黏附水凝胶的发展前景和所面临的挑战进行了展望.
近年来,具有优异机械性能、抗冻性能的离子导电水凝胶在人工智能、生物医药、柔性传感等领域受到了极大关注.本课题选取AlCl3/ZnCl2水体系作为纤维素原料的温和溶剂溶解纤维素,利用溶剂体系固有的金属离子引发丙烯酰胺单体的聚合反应,使聚丙烯酰胺网络与纤维素网络紧密搭接,制备得到纤维素基聚丙烯酰胺双网络水凝胶.通过控制丙烯酰胺与纤维素的交联比例实现对水凝胶机械性能和电化学性能等调控.研究结果表明,AlCl3/ZnCl2水体系中的金属离子赋予了水凝胶良好的抗冻性能(可在-45℃环境下正常工作)和导电性能(电导率可达2.04 S/m),聚丙烯酰胺第二层聚合网络的巧妙搭建有效提高了水凝胶的机械属性,在60%的应变条件下,10次压缩循环测试中表现出良好的弹性性能.此外,制备的水凝胶与不同介质界面均存在较强的黏附作用.
以纤维素纳米纤丝(CNF)作为原料,以凹凸棒(ATP)作为增强材料,通过制备不同质量比的纳米纤维素-凹凸棒(CNF-ATP)悬浮液;然后利用液氮梯度冷冻和冷冻干燥的方法制备了CNF-ATP复合气凝胶.采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)等手段对制备所得气凝胶样品进行分析,探究了不同ATP的添加量对CNF-ATP气凝胶结构的影响.结果表明,CNF-ATP的前驱体悬浮液Zeta电位为-31.20 mV,粒径分布主要在1000 nm以上.随着ATP添加量的提高,CNF-ATP复合气凝胶的湿、热稳定性及抗应变能力也显著提升,热分解温度超过了305℃,在溶液中浸渍72 h仍能保持湿稳定性.同时,研究发现当CNF和ATP质量比为2∶1时,CNF-ATP复合气凝胶的抗应变能力和柔韧平衡性最佳,形变承受程度可高达45%.该比例下CNF-ATP复合气凝胶的湿、热稳定性也得到了极大程度的提升,ATP在气凝胶孔壁上的分布状况表现了其分散性良好.
传统超级电容器多使用液态电解质组装,然而其因过多外力而破损时,有毒且易挥发的液体电解质会发生泄露,进而引发安全隐患.为解决这一问题,需要开发柔性超级电容器,以抵抗外部力量的破坏.近年来,纤维素材料因绿色、经济和可再生的特点成为储能装置的理想材料,以纤维素基水凝胶组成的超级电容器表现出良好的物理、化学性能(如高柔韧性、优良的机械强度和导电能力).纤维素基水凝胶在柔性超级电容器领域的应用已成为当前研究热点.本文综述了纤维素基水凝胶电解质的最新研究进展和成果,包括不同纤维素及其衍生物制备水凝胶电解质的性能与特点.最后,讨论了未来纤维素材料作为新能源材料的研究潜力和挑战.
纳米纤维素作为一种可持续、可生物降解的纳米材料,通常会被加入到导电水凝胶中以改善其性能.本文讨论了纳米纤维素在不同导电水凝胶中的应用,详细介绍了纳米纤维素复合导电水凝胶的优点及其在柔性传感器中的应用.最后,展望了纳米纤维素复合导电水凝胶在柔性传感器应用中面临的挑战和未来发展方向.
我国水环境污染问题较为突出,发展水环境污染物快速检测方法,是目前及时有效治理水环境问题的迫切需要.近年来,纸基微流控芯片(Paper-based microfluidic analytical devices,μPAD)在环境监测领域得到快速发展,它具有成本低、制作简单、试剂消耗少、携带方便、环保等特点,符合世界卫生组织(WHO)制定的现场快速检测装置"ASSURED"标准.本文综述了μPAD及其水环境检测方法的研究进展,首先介绍了在提升纸基材料性能方面取得的研究成果,讨论了μPAD的制备方法及其改进方案,并总结了几种应用于μPAD流体运动控制技术,然后重点介绍了基于μPAD的水环境快速检测方法与传感器构建方法取得的研究进展,最后讨论了μPAD目前的局限性并展望了其发展前景.
纳米纤维素/MXene复合材料兼顾MXene优异的导电性能、丰富的表面官能团和超高比表面积,以及纳米纤维素基材料优良的力学性能和机械稳定性,成为应用于柔性传感、电磁屏蔽、能源储存等领域的热门材料.本文对纳米纤维素/MXene复合材料的制备方法进行论述,重点阐述其作为柔性电子器件在压力传感器、电磁屏蔽材料、超级电容器中的性能及最新研究进展,归纳总结纳米纤维素/MXene复合材料所面临的挑战,并对其未来发展趋势进行展望.
以漂白桉木浆为原料,分别通过2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTMAC)对其化学改性,并借助高压均质处理得到改性纤维素纳米纤丝(CNF),最后采用冷冻干燥法制备得到改性CNF气凝胶.研究了聚苯乙烯微塑料(PSMPs)种类和浓度对改性CNF气凝胶过滤性能的影响.结果表明,EPTMAC改性气凝胶(QCNF)对羧基化聚苯乙烯(PS-COOH)的过滤效率为99%;TEMPO氧化改性气凝胶(TCNF)对氨基化聚苯乙烯(PS-NH2)的过滤效率为75%.改性CNF气凝胶对PSMPs的过滤性能得益于材料本身的超亲水性、独特的三维多孔结构和表面丰富的活性结合位点.此外,QCNF气凝胶经过8次循环过滤后,QCNF气凝胶对PS-COOH的过滤效率始终保持在99%以上,过滤通量稳定且超过20.2 L/(m2·h),具有良好的稳定性和可重复利用性.
麦草化机浆是一种重要的造纸纤维原料,但是其微细组分(200目)含量高,不仅使浆料滤水性能下降,还会导致成纸表面强度降低,从而限制了麦草化机浆的大规模应用.本课题通过鲍尔筛分仪筛分出麦草化机浆微细组分,采用DOE田口实验设计方法,研究了丙烯酸(Acrylic acid,AA)对微细组分接枝改性的变化,对比分析微细组分改性前后纤维形态、滤水性能以及配抄比例对成纸性能的影响.研究发现,最佳的改性工艺条件为硝酸铈铵-过硫酸钾(摩尔比1∶1)复合引发剂用量1 mmoL,引发时间20 min,温度50℃,接枝单体AA用量4 mL,反应时间3 h,接枝率达到69.50%.改性后微细组分(AAMF)数均长度、质均长度和宽度分别增加2.06%、2.78%和45.28%;细小组分的百分含量减少了19.62%;保水值增加了13倍.通过将微细组分和AAMF与麦草化机浆小于28目的组分(R28)进行配抄发现,添加AAMF可以改善麦草浆滤水性能,提高成纸的撕裂强度和抗张强度.
本研究以聚乙烯醇(PVA)与纤维素纳米晶(CNCs)共混形成网络结构,并引入了氧化石墨烯(GO)和聚吡咯(PPy),通过原位聚合法将PPy均匀沉积在复合材料表面,并以冻融循环法和冷冻干燥法制备复合气凝胶,最终用还原剂将复合材料中的GO还原为还原氧化石墨烯(RGO),制备了导电性良好的CNCs/PVA/RGO/PPy复合气凝胶.通过结构及电化学性能表征分析,表明该复合气凝胶有着良好的多孔网状结构以及优异的电化学性能(在电流密度为0.25 mA/cm2时,比电容量约为352 F/g),该复合气凝胶在超级电容器电极材料领域具有很好的应用前景.
近年来,活细胞广泛应用于组织工程、细胞治疗等领域.为了保证活细胞在应用过程中的活性与功能完整性,在细胞表面构建保护性外壳的细胞封装策略应运而生.细胞封装可以避免免疫细胞、抗体、酶等物质与细胞的直接接触,同时保证氧气、营养物质、代谢物等一些小尺寸物质的自由交换.水凝胶因其与细胞基质相似且可形成3D结构模拟细胞微环境而被广泛用于细胞封装.本文首先对细胞封装进行了简单介绍,随后在多细胞封装中重点介绍了木质纤维素基水凝胶在细胞封装中的应用;在单细胞封装中从层层(LbL)自组装、接枝到表面(grafting to)和从表面接枝(grafting from)的3种方法,分别阐述了水凝胶壳层对细胞活性与功能特性的影响.最后讨论了水凝胶封装细胞未来发展方向与前景,希望能为医药食品等领域活细胞的储存及应用提供参考.
木质素作为可再生天然芳香性高分子生物质资源受到人们越来越多的关注,对木质素高值化利用的研究在不断深入.木质素纳米颗粒(LNP)的制备与应用是实现木质素高值化利用的有效途径,木质素具有环境和生物相容性好、价格低廉且资源丰富等优点,但其固有的异质性、颗粒尺寸较大和分散性差的问题阻碍其应用,木质素纳米化可实现颗粒尺寸大小和形态的可控,LNP的比表面积和表面功能位点增加,相比原始木质素,抗氧化、抗紫外线等能力得到进一步增强,具有广泛的应用前景.本文对LNP的制备以及在水凝胶材料中的应用进行了综述,并对未来发展进行了展望.
电解质作为锂电池的主要部件之一,充放电过程中对锂离子传输起着重要的作用.然而传统液态电解质漏液以及充放电过程中锂枝晶生长等问题造成了安全事故频发.相比于液态电解质,凝胶聚合物电解质(GPE)将隔膜与电解质一体化,从整体上提高了安全性能和电化学性能.纤维素因其优异的热稳定性、良好的机械性能以及强电解质亲和力等优势,近年来在GPE研究领域得到了广泛关注.本文综述了微米纤维素、纳米纤维素、再生纤维素以及纤维素衍生物目前在GPE领域的研究进展,分析了不同纤维素基质或功能填料对复合GPE的性能影响,最后提出纤维素基GPE用于高性能锂电池所面临的挑战并对其研究前景进行展望.
纳米纤维素具有高模量、高强度、生物相容等优良特点,在生物医用领域展现出应用潜力.针对天然高分子骨缺损修复支架强度不足、降解过程机械强度下降等问题,采用纤维素纳米晶(CNC)予以改善.首先通过天然高分子凝胶化过程中的自组织,形成模拟天然骨中哈佛斯系统的壳聚糖-明胶-羟基磷灰石复合材料;进一步研究CNC对壳聚糖(CS)凝胶的增强作用;以CS-CNC复合凝胶为结构框架,通过界面融合可以形成组合凝胶;采用体外降解实验研究CS-CNC复合凝胶的降解.通过对天然生物质的仿生结构设计以及强度提升研究,探索CNC对提高支架综合性能的作用,发掘纳米纤维素在生物医用领域应用潜力.
目前主要的工业碱木质素和溶剂提取木质素存在结构复杂、分子质量均一性差等问题.采用有机溶剂如乙醇、γ-戊内酯、乙酸乙酯、丁酮等对木质素进行分级,是解决这一问题的有效途径之一.本文对木质素的绿色有机溶剂分级方法研究进展进行简要介绍,就分级方法、使用的溶剂种类和分级效果及对应用的影响等问题进行分析,探讨提出了目前木质素有机溶剂分级研究中存在的问题和不足,最后对木质素有机溶剂分级未来研究方向和前景进行了总结展望,以期为木质素的绿色有机溶剂分级及高值化利用提供参考借鉴.
采用预水解协同低共熔溶剂法(F-DES)制备芦苇纤维素纳米纤丝(CNF),通过对预水解芦苇得率、化学组分等的分析,探讨较佳预水解工艺,采用红外光谱、扫描电子显微镜、粒径分析、X射线衍射仪分析和热重分析等对预水解处理的芦苇以及芦苇CNF进行了表征.研究结果表明,芦苇预水解的较佳条件为:液比1∶6,预水解温度165℃,保温时间50 min.预水解芦苇得率为80.31%,α-纤维素含量为49.62%,预水解处理芦苇纤维素晶型结构未发生变化,保持纤维素Ⅰ型结构.F-DES体系处理预水解芦苇制备CNF的较优工艺条件为:FeCl3·6H2O用量为0.2 mmol/g DES,草酸二水合物/氯化胆碱(Oxd/ChCl)质量比为4∶1,反应时间6 h,温度80℃.制备的CNF粒径为200～800 nm,总体呈现均匀的纳米纤丝状,优化条件下制备的CNF中有90%的粒径分布在300～400 nm之间.
本研究以玉米秸秆皮、髓、叶、鞘部位为研究对象,通过多种手段对玉米秸秆不同部位的化学组分及纤维形态进行分析研究.研究结果表明,玉米秸秆全秆纤维束含量为51.19%,杂细胞含量高.其中,玉米秸秆皮中纤维束含量最多,占全秆纤维束的47.96%,α-纤维素含量为36.99%;叶和鞘纤维束含量占比分别为22.33%、23.65%;髓纤维束含量最少,为6.06%;秸秆皮纤维数均长度为1.17 mm,长宽比最大,为80.41,髓部纤维最短,对全秆纤维贡献率最低.
