生物基氣凝膠的改性及功能化研究進展

佟亞軒，高海南*，陳禮平，翁云宣，3**

（1.北京工商大學化學與材料工程學院，北京 100048；2.安徽豐原生物技術股份有限公司，安徽 蚌埠 233705；3.北京工商大學塑料衛生與安全質量評價技術北京市重點實驗室，北京 100048）

0 前言

氣凝膠是氣體作為分散介質的三維納米結構的多孔材料，利用空氣代替凝膠中的液體溶劑，同時不改變凝膠體的網絡結構及體積制備而成［1］。氣凝膠具有許多優異性能，如超低密度、高比表面積、超高孔隙率，低熱導率等［2］。根據其組成，可將氣凝膠分為無機氣凝膠（如SiO2氣凝膠）、有機氣凝膠（如間苯二酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛氣凝膠）、復合氣凝膠等［3］。其中無機SiO2氣凝膠是最常用、最早制備的氣凝膠，具有超高孔隙率和優異的隔熱性能，但其柔韌性較低、穩定性差，且在施加壓力時易破碎，通常要通過復合有機纖維等材料提高SiO2氣凝膠的柔韌性［4］。如Zhu 等［5］通過引用硅溶膠與魔芋葡甘聚糖（KGM）生物高分子基質結合，彌補了SiO2氣凝膠的高脆性，同時也解決了KGM 在吸濕性和機械強度方面的固有缺陷，且表現出低密度（0.084 g/cm-3）、高壓縮強度（80%應變下為1.65 MPa）等優異性能。大部分有機氣凝膠如聚酰亞胺氣凝膠［6］等，雖然可以解決無機氣凝膠的高脆性問題，但其合成原料成本較高且存在污染性，并且制成產品也存在易釋放有機物和回收性差等問題［7］。

生物基氣凝膠其來源廣泛、成本低廉且綠色可持續，通常可表現出更好的力學性能及結構多樣性，避免了無機氣凝膠的高脆性缺陷，同時還能解決有機氣凝膠的污染性和回收性差等問題。然而，生物基氣凝膠普遍存在耐水性差及易燃燒等問題，限制其進一步應用。近年來，研究者利用不同的改性辦法獲得了疏水、阻燃性能的氣凝膠材料。同時，對生物基氣凝膠進行更多功能化改性，可賦予其導電、隔聲、抗菌等不同特性，在新能源汽車、吸附劑、建筑材料、電磁屏蔽、傳感器、儲能材料等諸多領域具有重要應用前景。以往的綜述討論其生物基材料，如纖維素氣凝膠、殼聚糖氣凝膠、藻酸鹽氣凝膠等，或討論某些特性及應用，如廢水處理、電分析傳感、生物醫學。本文主要提供了近期不同生物基氣凝膠改性及應用的全面分析，重點圍繞生物基氣凝膠在阻燃和疏水性能及其他多功能化改性方面進行展開；并對改性的生物基氣凝膠在防火阻燃、環境修復、儲能、生物醫藥等領域的相關應用進展進行綜述。

1 生物基氣凝膠的功能化改性方法

1.1 疏水改性

生物基材料中通常含有大量的羥基、羧基、氨基等極性的親水性基團，因而所制備的氣凝膠在使用過程中易受到水汽侵蝕，造成內表面變化和孔結構坍塌等現象，耐水性缺陷問題限制了其在多個領域的應用［8］。因而，增強生物基氣凝膠的疏水性，提高在潮濕環境中的穩定性是擴展生物基氣凝膠應用范圍的關鍵。生物基氣凝膠的疏水改性關鍵在于在其表面構建穩定的疏水層，具體途徑包括提高表面粗糙程度和降低表面能兩方面。以下總結了疏水改性常見的幾種方法（如圖1所示）。

圖1 疏水改性的特征Fig.1 Characteristics of hydrophobic modifications

圖2 常用疏水劑的分子式Fig.2 Molecular formula of commonly used hydrophobic agent

1.1.1 原位法

原位法指在溶膠-凝膠過程中引入疏水性基團，使基體材料與改性劑同時分散在溶液中形成溶膠，在基體纖維上生成硅烷層后進行凝膠化制備氣凝膠［9］。烷基烯酮二聚體（AKD）具有成本低［10］、無危害等優點，其乳液可以很好地分散在紙漿中，并通過物理吸附及化學接枝固定到木質纖維素纖維上，以賦予紙漿良好的疏水性（結構如圖3所示）。Li 等［11］利用蔗渣與AKD乳液混合，通過熱交聯方法制備疏水性蔗渣氣凝膠，連接AKD 部分的非極性長烷基鏈的低表面能和氣凝膠表面的粗糙結構提供了顯著疏水性。

圖3 BC納米纖維和PMSQ涂層之間的分層混合界面的示意圖［12］Fig.3 Schematic diagram of the hierarchical hybrid interfaces between BC nanofibers and PMSQ coatings［12］

近期探究發現Zhang 等［12］以細菌纖維素（BC）和甲基三甲氧基硅烷（MTMS）為原料，通過界面工程“潤濕礦化”技術，促使剛性聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）礦物網絡形成，并沉積在BC 納米纖維素表面（如圖3所示）。結構中礦化物和生物聚合物組合成從納米到宏觀尺度的復雜分層組分，形成多個界面連接的全尺寸“硬-軟”復合界面，促使每個組分的基本特征被保留。實現礦物涂層和纖維素網絡之間的穩定結合，制備出具有高抗壓強度的BC-PMSQ疏水雜化氣凝膠。

1.1.2 冷等離子體改性技術

冷等離子體改性技術是基于氣體電離的方法產生［13］，其中含有大量的活性粒子，如受激原子和分子、電子、離子和自由基等。這些活性粒子在材料表面發生化學和物理反應，使有機物表面由親水性改性為疏水性［14］。冷等離子技術是一種快速、簡單、高效的疏水改性方式，適用于高比表面積的生物基氣凝膠，且不會影響復合氣凝膠的隔熱性能。He等［15］采用冷等離子體改性技術對羧甲基殼聚糖（CMCS）氣凝膠進行改性，其中氯離子接枝起主導作用，結果顯示改性后氣凝膠擁有較高接觸角，且吸油率可達到31.6 g/g并循環穩定。

1.1.3 氣相沉積法（CVD）

CVD 是形成氣凝膠后，將硅烷改性劑通過化學真空蒸鍍的方式［16］，對生物質材料中的羥基、氨基等極性基團進行修飾及轉化，將其硅烷接枝到氣凝膠表面，賦予其疏水性質［17］。該方法較為便捷，但由于蒸汽難以全部覆蓋整個氣凝膠內部結構，獲得的氣凝膠表面與內部通常產生非均一性［18］。常見的改性試劑主要使用的是短鏈的硅烷改性劑（如甲基三氯硅烷 、甲基三甲氧基硅烷 、三甲基氯硅烷等）。Fan 等［19］通過結合氧化納米原纖化纖維素（ONC）、聚乙烯亞胺（PEI）和乙二醇二縮水甘油醚（EGDE），然后利用低溫氣固反應快速原位接枝聚甲基三氯硅烷（PMTS），構建C-g-PEIPMTS 氣凝膠基質，表現出高孔隙率（95.73%）、疏水性（接觸角為130.0 °）和顯著彈性（95.86%）。

1.1.4 浸漬法

浸漬法是利用溶液中含有多個活性基團的化合物與含羥基的氣凝膠反應，形成由烷基鏈組成的疏水層。硅烷化改性引入了大量的甲基基團，以降低修飾表面的表面能。而浸漬法與CVD 相比，改性劑均勻分散在液體中，可以隨分散劑迅速擴散到孔中［20］。Chen 等［21］以甲基三乙氧基硅烷為硅源，將純納米纖維素（CNF）氣凝膠浸漬到水解溶膠中，然后在堿性環境中縮聚形成聚硅氧烷顆粒，硅烷化改性使CNF 氣凝膠水接觸角高達155.2 °。我們課題組Tong等［22］以類似方式利用環氧基三甲氧基硅烷作交聯改性試劑賦予真菌氣凝膠優異的彈性，然后通過十八烷基三氯硅烷（OTS）作簡單的疏水化處理，使彈性氣凝膠擁有超疏水性（接觸角為150.2 °）。涂覆與浸漬性質類似，可以很好地附著于氣凝膠的內部與外部。如Thai等［23］通過涂覆MTMS以在橡膠氣凝膠表面上形成硅烷基團，將橡膠氣凝膠從親水性轉化為疏水性，獲得134.4°和133.1°的水接觸角。

1.2 阻燃改性

因大多數生物基氣凝膠易燃，使得在高溫、有氧等危險環境中應用受到極大局限，可通過加入有機、無機、復合阻燃劑對其進行阻燃改性。但大多數氣凝膠具有弱強度和較差的韌性，導致它們在中等壓力下容易開裂和斷裂，嚴重限制了它們的適用性［24］。選擇阻燃劑的最根本的問題是具有有效的水分散性和與氣凝膠基質的優異相容性。以下對采用無機、有機、復合阻燃劑改性方法的優缺點及改性或氣凝膠的其性能進行對比與闡述，如圖4所示對阻燃劑進行了分類總結及舉例說明。

圖4 阻燃改性劑分類Fig.4 Classification of flame retardant modifiers

1.2.1 采用無機阻燃劑進行阻燃改性

無機阻燃改性主要是將具有阻燃性能的無機試劑添加到配制溶液的基體中，再通過一系列加工以形成有阻燃效果的氣凝膠。該方法具有價格低廉、毒性低、抑煙等優勢。目前常用的阻燃劑多為蒙脫土（MMT）、金屬氫氧化物（氫氧化鋁、氫氧化鎂）等。氫氧化鋁、氫氧化鎂是目前應用較為廣泛的無機阻燃劑填料，具有惰性、無毒、穩定性好，良好的阻燃抑煙性能。Zhu等［25］在將氫氧化鎂包覆的中空玻璃微球摻入殼聚糖（CS）基體中制備復合氣凝膠，其氣凝膠燃燒時會產生MgO、釋放水蒸氣，從而稀釋可燃氣體的濃度，產生阻燃效果。Sun 等［26］以CS 和MMT 為主要原料，CNF 為力學增強填料制備了復合氣凝膠，顯示出43%的高極限氧指數值。

目前使用二氧化硅作為典型的增強物，生物聚合物-無機雜化氣凝膠的合成也是一種阻燃的新嘗試。An 等［27］采用二氧化硅氣凝膠浸漬纖維骨架，以進一步提高純纖維塊的復合性能，具有較低的熱導率［0.023 W/（m·K）］、較高的抗壓強度（2.19 MPa）和優異的高溫隔熱性能。雖然無機阻燃劑會提高氣凝膠的耐火性，但它們與生物基基質大多不相容。因而，復合而成的氣凝膠大多力學性能較差，這對氣凝膠的原始結構和性能產生負面影響。

1.2.2 采用有機阻燃劑進行阻燃改性

與無機阻燃劑相比，有機阻燃劑的添加量較少，這避免了其與生物基質的不相容問題。雖然有機阻燃劑有高效的阻燃性，但其存在有毒、發煙量較高等環境污染問題。目前進行有機改性的阻燃添加劑大多為含氮阻燃劑、磷系阻燃劑（聚磷酸銨）和鹵系阻燃劑等。

三聚氰胺-甲醛（MF）是一種高效的含氮阻燃劑，它可以與纖維素表面的羥基反應形成穩定的交聯結構，從而改善纖維素氣凝膠的阻燃性能和力學性能。而MTMS 作為一種常用的疏水改性方法，硅烷化也可用作協同阻燃劑提高氣凝膠的阻燃性。Yue 等［28］采用MF樹脂與纖維素表面的羥基反應形成交聯結構，后利用MTMS 對氣凝膠進行表面修飾。協同添加劑可以在表面上形成致密屏障以保護氣凝膠，其可以隔離氧氣以形成阻燃效果并有效延遲質量損失。

隨著人們對綠色、環保性能的不斷重視，由生物基材料制備的有機高分子阻燃劑得到更加廣泛的使用，因其具有含碳量高、環保、少煙、優異的成碳性能，目前使用較多的生物基阻燃材料包括木質素、植酸、殼聚糖以及大豆蛋白等天然阻燃材料。

（1）木質素。木質素是天然芳香族聚合物，在植物木質部中含量豐富，是僅次于纖維素的第二大生物質資源。它獨特的化學組成如大量芳香環結構、脂肪族和芳香族羥基以及高碳含量，為化學修飾提供了豐富的活性位點［24］。常見的木質素阻燃劑包括單組分木質素阻燃劑、復配型木質素阻燃劑、化學改性木質素阻燃劑等。單組分則是木質素作為唯一的阻燃組分，木質素受熱后形成多孔泡沫焦炭層隔絕氧氣，作為結構增強劑和成炭劑來阻止可燃氣體擴散。復配型則可以與殼聚糖、植酸等生物材料共混達到阻燃效果。此外，還包括一些木質素衍生物（如木質素磺酸鹽），其既可以與生物材料復配，又可以作為碳源用于阻燃。木質素具有三維網狀結構，與其他生物基原料具有良好的界面相容性。Cen等［24］將木質素引入作為結構增強劑和成炭劑，制備了海藻酸鈉（SA）/木質素磺酸鈉（LS）/植酸（PA）復合氣凝膠，該氣凝膠具有優異的抑制煙霧能力，較低防火指數和出色的耐火性。LS 和PA 的協同效應也顯著提高氣凝膠的阻燃性，同時LS具有良好的水溶性和水分散性，賦予了材料結構的均一性，進而提高整體的阻燃效果。

（2）殼聚糖。殼聚糖［29］是自然界中唯一的堿性多糖，含有豐富的羥基和氨基，擁有優異的可修飾性、碳化和與其他生物基材料的界面相容性，能直接作為阻燃復合材料的成炭劑使用。在高溫下會發生開環反應，在凝聚相中生成炭層，有利于抑制基體中的熱量交換。Cui等［30］采用簡單、低成本的方式合成了高取代度磷酸化殼聚糖氣凝膠，LOI值高達80%以上、UL 94測試結果通過V-0等級。

（3）植酸。生物基植酸（PA）又稱肌醇六磷酸，其結構有極高對稱性，磷含量則高達28%（質量分數），是具有可降解、生物相容性好的天然磷化合物。植酸在升溫中含較高殘炭率，受熱分解時會生成偏磷酸等酸性物質，催化碳源脫水和碳化，從而進一步提高體系的阻燃性能［31］。一般生物質氣凝膠中基體含較多羥基，植酸可通過氫鍵與氣凝膠基底結合形成物理交聯的網絡結構。所以，植酸或其鹽可以同時有助于改善某些含羥基氣凝膠的力學性能和阻燃性。Wang 等［32］通過綠色冷凍干燥方法設計了基于可再生豬明膠和植酸鈉鹽的完全生物質基氣凝膠，其表現出極低的可燃性和較好的抑煙性。

1.2.3 采用有機-無機復合阻燃劑進行阻燃改性

在不同的應用領域，結合有機和無機阻燃劑的優點產生的復合阻燃劑，可以彌補單一阻燃劑產生的缺陷，如環境問題、火災危險、生物降解性低、犧牲彈性和功能性等。Wang 等［33］以聚乙烯醇（PVA）、PA 和MMT為原料制備氣凝膠，通過化學交聯和物理交聯雙重雜化交聯作用，克服了冰晶生長過程中的膨脹力和冰升華過程中的毛細管力，形成具有高力學性能的致密三維多孔結構材料。PA 和MMT 作為復配阻燃劑產生含磷和黏土的超強網絡骨架，使材料整體表現出優異的耐火性和高溫隔熱特性。而Deng 等［34］采用逐層組裝的方法在柔性硅酮泡沫上制備了2種低成本、環保的納米涂層，即殼聚糖/聚磷酸銨和殼聚糖/MMT。而在7 層的殼聚糖/聚磷酸銨涂層的作用下，極限氧指數從20.2%提高到23.8%，熱釋放速率峰值降低27.6%，總產煙量降低42%。

1.3 其他功能化改性方法

通過將納米材料、相變流體以及其他聚合物材料等與生物基材料進行復合改性，開發輕質、高性能的功能化復合氣凝膠，被用于儲能、生物傳感、導電、抗菌材料等領域。生物基氣凝膠功能化的復合改性方法可分為以下3種：

1.3.1 涂覆/浸漬法

在生物聚合物氣凝膠表面進行涂覆、浸漬功能性材料等方式制備復合功能化生物基氣凝膠，賦予氣凝膠特定的功能性，如儲能、傳感等。Jing等［35］利用聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）溶液和熔融二十烷（C20）相變流體浸漬到原始的芳綸納米纖維（OANF）氣凝膠和致密化的芳族納米纖維（DANF）氣凝膠框架中，制備了以OANF-PNIPAM 膜和DANF-C20 膜為基體的柔性熱敏二極管，用于存儲太陽能轉化的熱能存儲，同時表現出優異的柔韌性以及2.0的最大熱整流比。

1.3.2 原位生長法

在生物基氣凝膠的網絡結構內部進行預聚液滲透，進而實現功能粒子的原位生長和聚合。這種原位生長的改性方法可以避免直接摻入無機納米顆粒對材料骨架的破壞，以及納米顆粒的團聚引起的力學強度下降等問題［36］。He 等［37］對木材進行2，2，6，6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）處理構建氣凝膠中蓬松的納米纖維素網絡結構，后使聚吡咯（PPy）原位生長在木材氣凝膠內部，形成連續的導電三維結構，形成木氣凝膠/PPy復合材料電極（超級電容器），可在6 061.9 mW/cm2（161.6 W/kg）的功率密度下獲得0.75 mWh/cm2（20 Wh/kg）的優異能量密度。

1.3.3 碳化法

隨著生物基氣凝膠應用領域的不斷擴寬，應用于650 ℃及以下的傳統生物基氣凝膠在高溫下結構易坍塌，從而喪失其各方面性能。而碳化物是一種高硬度、高熔點、化學性質穩定的化合物［38］，生物基氣凝膠在惰性氣氛中經過熱解碳化，可獲得良好力學性能的碳氣凝膠。也可通過摻入碳納米管、氧化石墨烯和碳納米纖維等碳材料，以開發在超級電容器、傳感器、電池和止血材料等領域可應用的氣凝膠材料［39］。天然生物質材料來源豐富，且成本低廉，使其在制備碳氣凝膠方面具有更大優勢。由碳氣凝膠制成的傳感器不僅對寬范圍的工作壓力具有高的線性靈敏度，而且對生物信號有準確的檢測［40］。它還可以用作超級電容器的獨立電極，顯示出高電容、優異的機械柔性、循環穩定性等優點。Chen 等［41］以纖維素納米纖維（CNFs）和木質素為原料，制備了具有管胞狀結構的木質彈性碳氣凝膠，柔性CNFs糾纏在互連的網絡中，使其能夠在碳化過程中保持穩定的3D網絡減少熱變形。

2 功能化改性的生物基氣凝膠的應用

2.1 疏水改性的生物基氣凝膠的應用研究

目前，我國存在諸多環境污染問題，如原油泄漏污染、重金屬水污染以及空氣霧霾等問題，都對人類的生存和身體健康造成了嚴重的影響。開發低成本、環保綠色、高效、易回收的多孔吸附材料，是解決溢油、重金屬回收、空氣凈化等問題的關鍵。生物基氣凝膠因其三維多孔結構，具有較高的吸附能力、環保、可降解、重復率高等優點，是當下用于治理以上環境問題最有效的吸附材料之一［42］。

金屬吸附是利用氣凝膠多孔表面的活性基團（氨基、羥基等）與重金屬離子形成離子鍵或共價鍵，從而達到吸附金屬離子的目的。Liu 等［43］使用從廢棄蘆葦中提取的纖維素和CS 合成復合生物質基氣凝膠材料（CE/CSA），并在復雜印染廢水的處理及對多種污染物的協同吸附上拓展了新應用，剛果紅（模擬染料廢水）分子中的含氧/含氮官能團（—NH2/—SO3-）通過靜電吸引和螯合作用提供多個吸附位點與游離Cu2+（重金屬離子）連接，使其具有協同吸附效果，對CR 和Cu2+的最大吸附量分別為255.10 mg/g和202.43 mg/g）（如圖5所示）。

圖5 CE/CSA氣凝膠合成示意圖［43］Fig.5 Schematic diagram synthesis of the CE/CSA aerogels［43］

而Fang 等［44］通過ZnO 原位改性制備黑木耳氣凝膠，兩面具有不同的過濾環境顆粒物的效率，可用于對甲醛、PM2.5的吸附，是一種高效的空氣處理吸附劑。

油污吸附材料要求污染物，對油污等低極性液體具有較高的吸附容量和良好的選擇性。傳統吸附劑通常需要采用過濾、磁分離、離心分離等方法進行回收，耗費時間較長。疏水生物基氣凝膠具有更好的使用重復性和回收性，因而受到廣泛關注。

多孔基質、粗糙表面和表面疏水基團是制備高性能溢油吸附材料的三主要因素［45］。Peng 等［46］采用深共晶溶劑從玉米秸稈中制備一種自上而下、綠色、高效、具有選擇性吸附材料。利用六甲基乙基二硅烷進行涂覆疏水層。通過測試有機溶劑的吸附性能，發現在25.4～36.5 g/g 的范圍內有很高的吸附能力，大約比玉米秸稈髓高5～16 倍，吸收速度快，重復性較好。棉布質地柔軟、價格低廉，被廣泛應用在人們的日常生活中，但其具有親水性易受污染等問題，由此可利用氣凝膠疏水改性擴展其用途。Chen 等［47］利用花生殼納米纖維素制備了超疏水氣凝膠，噴涂硅烷化纖維素（MCNF）氣凝膠顆粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）是制備M-CNF/PDMS 超疏水復合棉織物的關鍵環節，材料具有優異防油污自清潔性能（如圖6所示）。

圖6 超疏水織物的自清潔功能［47］Fig.6 Self-cleaning function of superhydrophobic fabrics［47］

2.2 阻燃生物基氣凝膠應用現狀

氣凝膠具有多維的孔道結構，空隙中充滿氣態分散介質，有助于熱量分散和聲波阻隔。傳統阻隔材料主要有玻璃纖維、硅酸鹽、石棉、巖棉等，新型保溫材料主要有真空板、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、氣凝膠等。相比于傳統保溫隔熱材料，氣凝膠的耐燃性優異、使用壽命長、用量小，是目前最高效的隔熱、吸音建筑材料。表1 對比了傳統隔熱材料和氣凝膠優缺點。生物基氣凝膠的綠色環保、可降解、良好的隔熱及阻燃性能為建筑材料、航天航空、消防服、軍事設備傳感等領域助力，保護工作人員、設備以及材料免受高溫攻擊。

表1 傳統隔熱材料和氣凝膠的性能對比Tab.1 Comparison of the performance of conventional insulation materials and aerogel

Zhao 等［48］通過單向冷凍包埋技術，成功制備了一種新型各向異性硅化纖維素納米纖維/羥基化氮化硼納米片/甲基三甲氧基硅烷復合氣凝膠（Si-CNF/BNNS），并拓展了其在節能建筑中應用前景，并表征其隔熱和控溫性能。使用Si-CNF/BNNS 氣凝膠作為房屋襯里材料，并進行環境溫度曲線對比，具有襯里的房屋顯示出34.73 ℃的平均內部溫度，低于41.66 ℃的環境空氣溫度，在平均太陽強度為900 W/m 且濕度為33%的情況下，顯示出6.93 ℃的平均下降溫度（如圖7所示）。

圖7 （a）房屋模型及（b）有無凝膠襯里的房屋的溫度-時間曲線［48］Fig.7 Temperature-time profiles of house models（a）and houses with and without gel lining（b）［48］

Jonas 等［49］通過使用［MBD］+［MMMP］-/DMSO的離子液體混合物對天然木材進行一步處理，制備了具有高比表面積和低徑向熱導率強形狀記憶生物氣凝膠，其聚合物形狀記憶氣凝膠在航空航天具有應用前景。

Wang 等［50］利用聚乙二醇改性木粉（MW）/氨基功能化碳納米管（A-CNT）/海藻酸鈣（CA）制備P@MWA-CA氣凝膠，具有靈敏的火災預警響應和高效熱管理能力。其因A-CNT 在火焰接觸下電阻快速降低，使其在150 ℃表現出2.03 s的快速響應時間，以確保消防員在衣物被燒毀之前安全撤離，此外其優異的耐水性還可承受不同濕度環境。

2.3 復合改性功能化應用現狀

除了環境污染物的吸附、阻燃滅火、建筑物保溫隔熱以及冷鏈運輸等領域外，通過復合功能化改性還可以賦予生物基氣凝膠更多附加功能，如儲能材料、柔性可穿戴器件以及生物醫學材料等領域獲得新應用。

Han等［51］以CNFs為結構單元，Ti3C2Tx-MXene為功能填料，制備Janus 結構的CNF/MXene 復合氣凝膠（JCM），其上部為硅烷改性的疏水氣凝膠（CM），用于光熱轉化即水分有效蒸發，蒸發速率達到2.287 kg/m2。下部為親水性纖維素納米晶氣凝膠（CA）氣凝膠用于連續向上運輸水分，兩部分協同作用為先進界面式太陽能蒸發器的開發提供新方法（如圖8所示）。

圖8 界面蒸發器示意圖［51］Fig.8 Schematic diagram of the interface evaporator［51］

隨著人們對高效可穿戴柔性設備的需求日益增多，但傳統力學傳感器由于制造過程繁瑣、使用過多有毒化學試劑、難以檢測低壓、敏感度較低等問題，而陷入發展瓶頸［52］。Huang 等［53］使用銀納米粒子（Ag）和PA 包覆細菌纖維素（BC）制備Ag/PA@BC 生物基復合氣凝膠，其具有超低的檢測限（28 Pa）、高靈敏度（6.92 kPa-1）和良好重復性。該器件作為檢測設備在醫療保健、便攜式設備等領域具有廣闊的應用前景。

此外，生物基氣凝膠在生物醫學領域也具有較好的應用前景。Yang等［54］通過對雙孢蘑菇氣凝膠進行冷凍干燥和高溫碳化，纖維素纖維的空間重組轉化為多孔結構。這一結構能促進血液吸收，并在傷口和碳化氣凝膠之間的界面上形成血凝快，從而達到快速止血。碳化后的氣凝膠引起氮基團增加而提高親水性，有助于提高血液的吸收速度，有望用于安全快速止血，其與明膠海綿和紗布的止血效果對比明顯（如圖9所示）。

圖9 碳化蘑菇氣凝膠、明膠海綿和紗布在不同檢測時間的血紅蛋白結合能力的照片［54］Fig.9 Photos of hemoglobin binding capacity of car bonized mushroom aerogels，gelatin sponge，and gauze at different detecting time［54］

3 結語

生物基氣凝膠因其成分綠色環保、具有可回收性及力學相對柔韌等優勢而受到諸多重視，同時，其表面和內部存在著大量的活性基團，為其功能改性提供了可能性及多樣性。采用各種疏水硅烷類試劑和不同類型的阻燃劑對生物基氣凝膠進行復合及物理、化學修飾改性，能夠有效地提升其疏水及阻燃性能。同時，基于這些活性基團的改性也為進一步制備多功能化的生物基氣凝膠提供思路，拓寬了生物基氣凝膠在電學儲能、傳感器以及生物醫學材料等領域的應用范圍。

盡管如此，生物基氣凝膠材料在批量制備和應用于不同環境時還存在諸多問題和局限。例如：不同原料生物基氣凝膠的制備及加工工藝的差異化；生物基氣凝膠的力學彈性、可壓縮性和耐久性還有待進一步提升；實現生物基氣凝膠大規模生產，還缺乏大量實驗室到工業化的可行經驗。因此，在未來實現高性能、多功能化生物基氣凝膠的批量制備及廣泛應用還需眾多科研工作者的進一步努力。