Super water absorbing and shape memory nanocellulose aerogels from TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils via cyclic freezing–thawing

纳米纤维素 材料科学 纤维素 多孔性 自愈水凝胶 结晶度 化学工程 水溶液 聚合物 吸水率 冰晶 复合材料 高分子化学 化学 有机化学 工程类 物理 光学
作者
Feng Jiang,You‐Lo Hsieh
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:2 (2): 350-359 被引量:246
标识
DOI:10.1039/c3ta13629a
摘要

Mechanically robust cellulose nanofibril (CNF) aerogels with ultralow density (8 mg cm−3), superior porosity (99.5%), super water absorbency (104 g g−1 water/dried mass), high crystallinity (68.5%) as well as exceptional wet resilience and water activated shape recovery were facilely fabricated for the first time by ice-crystal templated self-assembly of TEMPO oxidized CNFs via cyclic freezing–thawing. With ultrathin widths (1–2 nm), high aspect ratios (several hundreds) and numerous surface polar hydroxyls and carboxyls, TEMPO oxidized CNFs behaved similar to aqueous soluble polymers to form strong freestanding hydrogels by repetitive freezing (−20 °C, 15 h) and thawing (room temperature, 9 h). The spaces occupied by the several hundred microns wide ice crystals were well preserved upon freeze-drying, deriving macroporous CNF aerogels with over 99% porosity of interconnected pores. The freezing induced self-assembling of CNFs was observed at a low concentration of 0.05%, whilst more ordered macroporous honeycomb structures were observed at and above 0.2%. Exchanging water in the CNF hydrogel with tert-butanol generated hierarchical CNF aerogels containing several hundred microns sized macroscopic as well as mesoscopic pores ranging from 2 to 90 nm with further improved specific surface area (117.8 m2 g−1), pore volume (1.19 cm3 g−1) and water absorption (116 g g−1). All CNF aerogels demonstrated super water absorbency, fast water-activated shape recovery in 4 s and reusability for at least 20 times.
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