High Mechanical Cellulose-Based Aerogel Induced by Fe3+ at Ambient Temperature and Pressure

材料科学 气凝胶 环境压力 纤维素 化学工程 复合材料 冶金 热力学 物理 工程类
作者
Qin Qin,Gaigai Duan,Rubei Hu,Liang Zhao,Xiaoshuai Han,Haoqi Yang,Yong Huang,Chunmei Zhang,Shuijian He,Shaohua Jiang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c14413
摘要

Nanocellulose aerogels are usually produced by methods such as freeze-drying or critical point drying, which have the disadvantages of high equipment requirements and high energy consumption. In this study, the Fe3+-containing ethanol bath was employed to dissolve and replace ice crystals in the prefrozen precursors of cellulose-based aerogels. The method achieved both solvent substitution and metal ion complexation and successfully prepared nanocellulose aerogels with a total solid concentration of 2.0 wt % under drying conditions at ambient temperature and pressure. In comparison to the untreated nanocellulose aerogels, the Fe3+-complexed cellulose-based aerogel exhibited better mechanical properties. At the same time, with the increase of Fe3+ concentration in the ethanol bath, the specific strength demonstrated a notable enhancement, rising from 1.39 to 2.63 kN·m/kg, and the specific modulus increased from 0.57 to 0.67 kPa/(kg·m–3) while the shrinkage of the aerogels decreased from 38.21 to 25.51%. Furthermore, the Fe3+-complexed aerogels exhibited distinctive reversible compressibility. The rate of work consumption per turn during fixed strain (50%) cycling versus gradient strain (10, 20, 30, 40, 50%) cycling of the Fe3+-complexed aerogels demonstrated a tendency to reach a stable value, which demonstrated that the aerogel has some structural robustness.
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