凍結結合セルロースナノフィブリルからの架橋および形状の多孔質3D基質

複雑な形状の化学的に架橋する非常に多孔質ナノセルロースエアロゲルは、架橋反応と凍結乾燥の一般的な事後活性化を回避する凍結リンク手順を使用して調製されています。エアロゲルの形状は、単純な幾何学的な3次元の体から渦巻きやソレノイドにまで及びます。これは、通常の冷凍庫で化学架橋する前に、周期酸化セルロースナノフィブリル（CNF）分散を成形または押し出して、または水の構造を可塑化してエアロゲルを再構築して新しい形にロックすることにより、すでに準備されたエアロゲルを再形成することによって達成されました。。新しい形状は、再形成中に変形によって接触するCNFの間に形成された新しい架橋によって保持される可能性が最も高い。プラスチック化とredの後に新しい結合を形成するこの自己修復能力は、エアロゲルの機械的回復力にも貢献し、乾燥状態で周期的に変形し、水とともに再浸透し、機械的完全性を良好に保持して赤く包みます。さらに、空軸の形状と利用可能な内側構造を利用することにより、導電性ポリピロールの薄い膜でコーティングされたすべての表面を備えたソレノイド型エアロゲルは、ソレノイド内に磁場を生成し、電磁特性を示すことができました。さらに、トゥーカンの鳥のくちばしの多孔質の内部と硬い外側をバイオミミングすることにより、成形された外面に厚さ300μmの硬いワックスコーティングを適用することにより、機能化されたエアロゲルが作成されました。この複合材料は、密度を大幅に増加させることなく、平凡なエアロゲルの弾性率と比較して10倍高い弾性率を示しました。これらの例は、高度な形状とエアロゲルの内部構造と表面の両方の機能化を組み合わせて、CNFエアロゲルの使用の可能性を根本的に拡張できることを示しています。

Chemically cross-linked highly porous nanocellulose aerogels with complex shapes have been prepared using a freeze-linking procedure that avoids common post activation of cross-linking reactions and freeze-drying. The aerogel shapes ranged from simple geometrical three-dimensional bodies to swirls and solenoids. This was achieved by molding or extruding a periodate oxidized cellulose nanofibril (CNF) dispersion prior to chemical cross-linking in a regular freezer or by reshaping an already prepared aerogel by plasticizing the structure in water followed by reshaping and locking the aerogel into its new shape. The new shapes were most likely retained by new cross-links formed between CNFs brought into contact by the deformation during reshaping. This self-healing ability to form new bonds after plasticization and redrying also contributed to the mechanical resilience of the aerogels, allowing them to be cyclically deformed in the dry state, reswollen with water, and redried with good retention of mechanical integrity. Furthermore, by exploiting the shapeability and available inner structure of the aerogels, a solenoid-shaped aerogel with all surfaces coated with a thin film of conducting polypyrrole was able to produce a magnetic field inside the solenoid, demonstrating electromagnetic properties. Furthermore, by biomimicking the porous interior and stiff exterior of the beak of a toucan bird, a functionalized aerogel was created by applying a 300 μm thick stiff wax coating on its molded external surfaces. This composite material displayed a 10-times higher elastic modulus compared to that of the plain aerogel without drastically increasing the density. These examples show that it is possible to combine advanced shaping with functionalization of both the inner structure and the surface of the aerogels, radically extending the possible use of CNF aerogels.