为什么对纤维素进行冷冻处理?

纤维素气凝胶，是第三代气凝胶材料，具有良好的化学稳定性、可再生性、生物相容性等优点。由于纤维素存在大量羟基，可通过氢键自缠绕形成凝胶。但是大量氢键的存在使其不易溶于一般溶剂中。因此，高效的纤维素溶剂是开发利用纤维素材料的前提条件，再利用各种纤维素溶液进行后续处理，采用不同的衍生化处理、凝胶剂和干燥方法可定制功能各异的纤维素气凝胶材料[1, 2]。

纤维素溶剂种类

纤维素是自然界最丰富的可再生资源，具有环境友好、可生物降解等优势，其应用前景十分广阔。但由于其特殊的晶体结构，导致其很难溶解于普通的溶剂体系中，从而阻碍了纤维素材料的开发和应用。

按可溶解性不同，可分为水溶性（如羟乙基纤维素）和有机溶剂溶解性（如乙基纤维素）等，干混砂浆主要用水溶性纤维素，水溶性纤维素又分为速溶型和经过表面处理的延迟溶解型。

1 常见的纤维素溶剂

1.1 N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）

Johnson于1969年发表了NMMO作为纤维素溶剂的第一项专利，此后NMMO被广泛用作纤维素非衍生化溶剂，其溶解机理如图1所示。迄今为止，NMMO溶解纤维素工艺克服诸多困难，成功实现工业化生产Lyocell纤维和Tencel纤维，同时NMMO回收系统采用无排放技术，99.6%~99.7%的NMMO可从凝结中回收。通常NMMO工艺可根据纤维素水分含量和纤维素纸浆的特性，可以生产高达30%左右的纤维素溶液。在大多数工业的Lyocell工艺中，典型的组成是50%~60% NMMO，20%~30% H2O和10%~15%纤维素。

纤维素的溶剂种类及溶解机理，纤维素气凝胶的制备流程

1.2 离子液体

离子液体（IL）是一种在低温下（<100℃）为液体状态的盐，具有非挥发性、化学稳定性和热稳定性、不可燃性和蒸汽压小等诸多特性。为提高溶解能力，离子液体溶解纤维素的机理已被广泛研究。目前机理的研究显示，离子液体的阴离子和纤维素羟基的相互作用起重要作用。

目前在离子液体领域仍需进一步的研究，以满足下一代工业化学过程发展的可持续性和绿色化学要求。Gericke等总结了可能阻碍离子液体溶解纤维素的三个缺点。首先，离子液体的纯度等级应进一步提高，由于纤维素不可溶于水，微量含水会影响纤维素在离子液体中的溶解度；其次，当再循环使用离子液体时，纤维素/离子液体溶液的热稳定性显着降低，甚至一部分开始分解；最后，目前回收离子液体的方法主要是减压蒸馏和旋转蒸发等，导致大量的能量消耗，还需要开发更有效和节能的方法来回收离子液体。

纤维素的溶剂种类及溶解机理，纤维素气凝胶的制备流程

1.3 碱/尿素

Zhang等开发了一系列含水纤维素溶剂，可在低温下快速溶解纤维素（2min），该溶剂绿色环保、无毒易得，为溶解纤维素大分子提供了全新的途径。

2 纤维素基气凝胶

通常，纤维素气凝胶可以通过临界点干燥或特定的冷冻干燥方法制备，其结构和性能取决于纤维素的预处理及制备过程。纤维素气凝胶的制备流程如图3所示。

纤维素的溶剂种类及溶解机理，纤维素气凝胶的制备流程

2.1 纳米纤维素（CNF）气凝胶

天然纤维素经过机械剪切、酶催化或酸水解，再经凝胶化处理可得一定浓度的CNF凝胶。低浓度的CNF悬浮液为粘性流体，可以转化为具有高度网状结构的水凝胶，保持其独立性。通过用空气置换悬浮液或水凝胶中的液体介质可制备CNF气凝胶。

2.2 再生纤维素气凝胶

通常，纤维素在特定溶剂(NMMO、离子液体和碱/尿素)中溶解，破坏部分纤维素分子非晶区的结构，通过临界点干燥或特定的冷冻干燥方案制备再生纤维素气凝胶，其结构和性质取决于气凝胶前体的水凝胶以及制备过程。

2.3 衍生纤维素气凝胶

通过氧化、醚化、酯化、接枝共聚和化学交联等多种化学处理，可定制结构功能各异的衍生纤维素气凝胶，拓宽纤维素应用领域。溶剂交换和干燥过程中，纳米纤维素和再生纤维素极易发生收缩和结构坍塌，力学性能下降，影响后续应用及循环使用，而衍生纤维素气凝胶分子链存在大量活性位点，粒子间的连接作用增强，同时可与其它功能材料复合，实现纤维素材料的多功能化。

3 结论

在过去的几十年中，开发了一系列新型绿色可循环纤维素溶剂，极大地减少了纤维素在溶解过程中的损失及溶剂的浪费。同时以纤维素为基体的气凝胶有机的结合两者的优势，在生物、医药、环境工程等多领域具有应用潜力。对纤维素溶解、再生、改性机理、凝胶化和干燥技术的深入研究可使纤维素材料更具功能性，各种应用中更具可调性。

不正常，应该是结晶。

通过冷预冻处理纤维素水凝胶的方法，实现纤维素凝胶内部过冷水的形成。在超声波扰动作用下实现纤维素水凝胶内部过冷水的迅速结晶，并进行真空冷冻干燥的方式，得到具有纳米三维网络结构的纤维素气凝胶，本发明方法能够利用冷冻干燥的方式制备得到具有纳米三维网络结构的纤维素气凝胶。

气凝胶是由胶体粒子或者高分子聚合物聚集成为多孔网络结构，并在其孔隙中充满气体分散介质的高孔隙率高分散的固态材料。

1生态房屋的效果评价

在透明复合板中集成透明/半透明的纤维素气凝胶（这种材料层的总传热系数<0.6W/m2·K，每厘米厚度总太阳辐射透过率大于90%）。与商品气凝胶相比，这种新型的纤维素气凝胶材料取材于废纸或废木料，既满足节材的要求又达到造价低廉，可降解。同时此施工工艺相对外保温系统等施工做法相对简单，且控制难度远远低于湿作业施工难度，间接地节省可人员施工开支。

2生态建筑中的多项节能技术

2.1太阳能利用

太阳能在建筑行业的利用是大势所趋，国际上光伏和建筑一体化已经有很长的历史了，特别是太阳能发电，包括反馈到电网。国内的利用主要还是太阳能热水器，技术已经非常成熟，正在大面积普及当中。未来的发展是需要大力普及光伏和建筑一体化，重点在于利用光伏发电解决照明和家用电器用电，以及包括做饭和炒菜在内的高等级能源需求，也为热泵普及提供高级无碳电力支撑。

2.2生物质能利用

垃圾液化气和秸秆生物质能主要是为住宅提供生火做饭和炊事用能，包括沼气在内，是生物质能的较好利用形式，也为热泵和太阳能联合供暖、供热水或发电实现了低碳或零碳建筑的互补手段。只有联合利用这些低碳可再生能源，才能够完全实现绿色建筑的零排放和零能耗，甚至正能量输出，反馈到电网，为电网输送绿色能源。

2.3地热能利用

热泵技术主要用于采暖、制冷和洗澡的热水。如果被动房普及，地热主要是用于热水，用来洗澡和洗衣服等，包括温室大棚的保温，适合什么就做什么，因地制宜。这里说的是100℃以下的中低温热泵，如果发展400℃以上的高温热泵，那么在工业上的应用将会更加广泛。

3被动式建筑蓄热技术

通过透明蓄水层提升整个围护结构的热惰性和蓄热性，在和外界自然环境中能量变化的对抗中，TWSE先做到内气充盈，可以吸收和蓄存比常规围护结构更多的能量[1]。一般以静态蓄水就可以对抗室外温度波动。夏季过热时，通过建筑供水系统向蓄水模块供水，回水直接用于盥洗室和卫生间，多余热能通过排水系统被耗散掉。用单位体积的水传输的能量比单位体积空气传输的能量大的多，很容易用小功率泵实现四两拨千斤，即以小能量调动大能量。供水系统来自埋地的供水管道，很容易实现与大地温度一致，而TWSE系统正是借大地和太阳辐射的能量对抗冬季和夏季外界空气环境中极端能量变化，正所谓借力打力。

4结语

综上所述，可得出如下几点结论：（1）传统的建筑业高能耗、高资源消耗，环境负荷太大，不可持续发展；（2）利用可再生的绿色建材和建筑围护结构，大力发展被动生态建筑，可以实现超低能耗、超低排放、甚至是负排放的绿色建筑；（3）建材行业和新能源产业在以被动房为代表的新一轮绿色建筑产业革命到来之际，大有作为，市场前景广阔；要和建筑业携手共进，造福百姓、造福社会，实现合作共赢。

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