疏水木质纤维气凝胶制备及吸油机理解析

深海采油、原油海运及内河运输经常造成漏油事件，造成大面积、大流域水体污染，严重 威胁脆弱的海洋和内陆水系生态环境。目前处理溢油的方法主要为材料吸附，传统吸油材料吸油保油效率低且后续回油性差，大面积应用受到限制。鉴于木质纤维气凝胶巨大的比表面积和极高的孔隙率，本研究采用LiCl/DMSO溶液溶解含疏水性内源或外源木质素的木质纤维原料，再经溶剂置换凝胶化、硬脂酰氯酯化改性或添加油性单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）、丙烯酸丁酯（BA）和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）进行半互穿聚合交联等处理过程，获得一系列具有疏水亲油性的木质纤维物理气凝胶、木质纤维素酯气凝胶和半互穿网络气凝胶，并利用FT-IR、TG、SEM、BET、光学接触角、流变仪等检测手段表征气凝胶的化学结构、热稳定性、微观构造、多孔性、力学强度及疏水吸油性等相关性能，探讨木质纤维气凝胶对油品的吸油历程及吸附动力学行为规律，解析木质纤维气凝胶的吸油机理。结果表明，疏水性内源木质素的存在可提高木质纤维物理气凝胶的热稳定性，但会限制纤维素和半纤维素的解离，导致气凝胶孔隙结构不均匀；而外源木质素可提高气凝胶力学强度、比表面积和亲油疏水性能。对木质纤维素酯气凝胶而言，木质纤维先经硬脂酰氯酯化改性后凝胶化过程中，随着酯化试剂用量的提高，气凝胶疏水吸油性能得以改善，但其力学强度降低，凝胶网络结构疏松，比表面积下降；若先凝胶化后酯化改性，则对气凝胶三维网络结构的影响较小。对木质纤维半互穿网络气凝胶而言，单体MMA和BA与交联剂MBA所形成的聚合交联网络与木质纤维网络以半互穿方式共存，引入单体聚合交联网络有助于提高气凝胶的力学强度和疏水吸油性能。此外，对木质纤维素酯气凝胶和半互穿网络气凝胶吸附煤油的过程进行吸附动力学模型和粒内扩散模型模拟发现，两种气凝胶的吸油过程更符合准二级吸附动力学模型，即吸附速率受化学吸附机理控制，且吸附过程包括表面吸附、孔内缓慢扩散以及吸附脱附动态平衡。

深海采油、原油海运及内河运输经常造成漏油事件，造成大面积、大流域水体污染，严重威胁脆弱的海洋和内陆水系生态环境。目前处理溢油的方法主要为材料吸附，传统吸油材料吸油保油效率低且后续回油性差，大面积应用受到限制。鉴于木质纤维气凝胶巨大的比表面积和极高的孔隙率，项目拟通过LiCl/DMSO对木质纤维进行溶解处理、酯化疏水改性，并在此体系下将油性单体MMA/BA进行自由基聚合及MBA交联，制备出具有高比表面积、高吸油性能的木质纤维网络与亲油高分子网络半互穿结构的气凝胶试样。研究木质纤维在全溶体系下进行酯化改性和亲油高分子网络构建工艺技术、木质纤维气凝胶的吸附动力学、吸油与保油性能，掌握全溶体系下木质纤维气凝胶网络构建及性能调控方法，揭示木质纤维气凝胶吸油历程及规律，阐明木质纤维气凝胶的吸油与保油机理，为开发环境友好型高性能吸油材料提供理论依据。

气凝胶最初是由S.Kistler命名，由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶，故将气凝胶定义为：湿凝胶经超临界干燥所得到的材料，称之为气凝胶。在90年代中后期，随着常压干燥技术的出现和发展，90年代中后期普遍接受的气凝胶的定义是：不论采用何种干燥方法，只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料都称为气凝胶。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔洞率、极低的密度、高比表面积、超高孔体积率，其体密度在0.003-0.500 g/cm-3范围内可调。（空气的密度为0.00129 g/cm-3）。

气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成。在溶胶凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，在溶体内形成不同结构的纳米团簇，团簇之间的相互粘连形成凝胶体，而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂。为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏，采用超临界干燥工艺处理，把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体，气液界面消失，表面张力不复存在，此时将这种超临界流体从压力容器中释放，即可得到多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料。

能源、资源缺乏和环境污染已成为社会经济可持续发展的瓶颈。利用吸附过滤特性使空气得到净化的新型吸附材料就成为当今急需研究开发的一种技术途径。疏水SiO2气凝胶材料是一种耐湿、高强度的新型吸附材料。本项目以E-40硅源作为原材料，无纺布，高硅氧纤维等结构材料为骨架支撑材料，采用表面修饰和纤维增强方式来增强气凝胶的特异吸附性能和纳米网络结构，避免毛细管张力收缩而造成干燥时气凝胶结构坍塌，在常压下制备出吸附效率高，纳米多孔结构人为可控的疏水型纤维增强SiO2气凝胶复合材料。通过进行各种有毒害气体的吸附测试，建立合适的理论吸附模型，确定其吸附机理，为高吸附性能SiO2气凝胶及纤维复合材料的结构设计、研究开发提供理论和实验基础。