《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Lightweight and Hydrophobic Bacterial Cellulose Nanofiber/Silica Composites for Oil–Water Separation and Thermal Insulation
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细菌纤维素水凝胶经机械搅拌分散和冷冻干燥制备三维多孔纳米纤维气凝胶，采用双硅源（DMDES/MTES）溶胶-凝胶法调控复合结构，通过甲基三甲氧基硅烷（MTMS）化学气相沉积增强疏水性（接触角145°），获得低密度（可承受70%压缩应变）、低热导率（32.83 mW/(m·K)）的复合气凝胶，适用于保温和油水分离。
肖马|杨海霞|李荣波|范一凡|吴旭欣|秦浩凯|张欣
大连理工大学纺织与材料工程学院，中国大连116034
摘要
柔性二氧化硅气凝胶在新能源领域展现出巨大潜力，但其应用受到机械强度低和成本高等固有缺点的限制。本研究采用了一种环保的发酵工艺制备细菌纤维素水凝胶。通过机械搅拌分散和冷冻干燥处理，获得了一种低密度、高孔隙率、低导热性的细菌纤维素纳米纤维气凝胶，该气凝胶具有三维（3D）网络结构。随后，利用二甲二乙氧基硅烷（DMDES）和甲基三乙氧基硅烷（MTES）通过双硅源溶胶-凝胶法对气凝胶进行了复合改性，并通过调节这两种硅源的比例精确控制了复合材料的性能。为了进一步提高其实际应用价值，还使用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）对复合材料进行了疏水性改性。改性后的复合材料保持了轻质特性，同时表现出低导热性（32.83 mW/(m·K)）、优异的热稳定性和卓越的韧性，能够承受70%的压缩应变，水接触角为145°。此外，该材料对多种常见油脂和有机溶剂具有吸附能力，在隔热和油水分离领域具有广泛的应用前景。
引言
柔性气凝胶材料在各种尖端技术和工程领域具有广泛的应用前景[1]。其中，柔性二氧化硅气凝胶通过使用本质上具有柔性的硅源前体[2]、引入高性能聚合物或纤维增强相[3]以及构建弹性三维网络结构[4]来克服其固有的脆性问题。这使得它们能够保持超低密度、高孔隙率和低导热率等核心特性[5][6][7][8]，在航空航天热管理、新能源电池保护和建筑节能等领域展现出显著的应用价值[10][11][12][13]。然而，高制备成本和相对有限的机械稳定性等问题仍限制了它们在大规模应用中的推广[14]。为了克服这些限制，研究人员逐渐转向多组分复合策略，以协同优化材料的结构和性能[15][16][17]。在这些方法中，引入纳米纤维作为增强相是一种常见且有效的方法。
在各种增强材料中，细菌纤维素纳米纤维（BCNFs）因其三维互联的网络结构、高结晶度和优异的机械性能而被认为是理想的增强骨架[18]。此外，BCNFs是通过可再生生物质发酵工艺生产的[19]，具有良好的环境友好性和生物降解性[20]，符合可持续材料开发的原则。然而，BCNFs的表面富含亲水性羟基[21]，这可能影响复合气凝胶的疏水性稳定性。具体来说，这些羟基会增加对水的亲和力，导致与疏水性基质的界面不兼容，从而引起分散不良、界面粘结力减弱和结构均匀性降低，限制了它们在高性能复合体系中的应用。
在本研究中，疏水性稳定性被定义为气凝胶在化学腐蚀性水环境中保持其拒水表面的能力。疏水性稳定性不足可能导致吸湿和局部膨胀，从而损坏孔结构，进而影响隔热和液相分离等关键功能。重要的是，油吸收和油水分离通常在pH值不同的水介质中进行。因此，在这种条件下保持稳定的疏水性对于确保长期使用寿命和可重复使用性至关重要。这一要求也受到日益严重的环境和健康问题的驱动，因为接触含油废水污染物与呼吸系统问题（包括哮喘、咳嗽和呼吸困难）有关[22]。
鉴于多孔纤维增强气凝胶复合材料的高孔隙率和吸湿敏感性，水蒸气进入孔道常常会导致微观结构损伤和性能下降。因此，疏水性改性已成为提高其服役稳定性的关键策略。目前，表面化学改性是提高这类复合材料疏水性的主要方法。例如，使用低表面能剂如聚二甲基硅氧烷（PDMS）[23]和十六烷基三乙氧基硅烷（HTMS）[24]进行改性，可以获得水接触角超过140°的疏水表面。然而，关于在多孔纤维增强气凝胶复合体系中实现均匀、持久且环保的疏水性功能化的研究仍然相对有限。
基于上述研究背景，本研究旨在使用甲基三乙氧基硅烷（MTES）和二甲二乙氧基硅烷（DMDES）作为混合硅源，BCNFs作为三维增强网络，并采用两步酸碱催化的溶胶-凝胶方法制备柔性复合气凝胶。在水解过程中，MTES水解并缩合成高度交联的硅氧烷框架来支撑材料；而DMDES通过甲基基团提高分子链的柔韧性，改善材料的机械变形能力和抗裂性。通过调节DMDES/MTES的比例，可以协同调控所得气凝胶的微观结构和机械性能。此外，还采用化学气相沉积（CVD）进行疏水性改性。本研究旨在开发一种具有均匀疏水性、理想机械性能和高效油水分离能力的复合气凝胶，为隔热和环境修复材料提供一种新的设计策略。
材料
红茶购自五指山益明生态茶业有限公司；康普茶菌种和菌膜购自湛江旭新食用菌业有限公司；橙子和泵油来自当地市场；MTES（98%，AR）和叔丁醇（99.0%，AR）购自上海麦克莱恩生化科技有限公司；DMDES（98%，AR）、MTMS（98%，AR）和溴化甲基三甲胺（CTAB，98%，AR）购自上海阿拉丁生物化学科技有限公司；蔗糖（99%，
微观形态
使用扫描电子显微镜（SEM）对气凝胶样品的微观结构进行了表征。如图1a所示，BCNFs形成了纤维直径极细的交织三维网络。这种交织结构形成了丰富的孔隙，这是气凝胶轻质和柔性特性的关键因素。在BCA与二氧化硅气凝胶复合后（图1b），BCA仍保留其纤维特征，其中包含微米级的SiO2球形颗粒
结论
总之，本研究成功开发了一种以BCNFs为基底的复合材料。BCNFs是一种低成本、环保且低密度的材料，具有三维多孔网络结构。填充相是通过双硅源溶胶-凝胶法（使用DMDES和MTES作为共前体）制备的二氧化硅气凝胶。通过优化这两种硅源的摩尔比，复合材料实现了低密度、高孔隙率和优异的性能
CRediT作者贡献声明
张欣：研究工作。吴旭欣：验证、监督。秦浩凯：方法论。李荣波：监督、方法论。范一凡：验证、资源提供。杨海霞：监督、方法论、概念构思。肖马：撰写初稿、资源提供、研究工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了辽宁省教育厅科研经费（编号JYTMS20230435）的财政支持。
