[發明專利]一種快速溶解木質纖維素制備氣凝膠的方法

有效

• 申請號: 201310070780.2
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN103146017A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 李堅;盧蕓;孫慶豐;劉一星
• 申請（專利權）人: 東北林業大學
• 主分類號: C08J9/28
• 分類號: C08J9/28;C08J3/11;C08L97/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高會會

技術領域

本發明涉及了一種制備氣凝膠的方法。

背景技術

隨著石油資源的快速消失和石化產品消耗引起的環境污染，開始使全世界開始關注可再生的木質生物質資源作為能取代石油化工資源的替代資源。木質纖維素生物質資源包括木材廢料、造紙殘渣、農作物非食用部分、資源作物等。木質纖維素是地球上含量最豐富的生物質，廣泛地存在于木本、草本植物中。其主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等高分子，纖維素被半纖維素包裹著，外層再由木質素緊密包埋，相互結合成為堅固的細胞壁。其中纖維素約為35–50%、半纖維素為20–35%，木質素約為5–30%。

但目前的“生物精煉”概念中，認為只有纖維素和半纖維素可以被廣泛地開發為化學品和新材料。而結構最復雜的木質素，是以苯丙烷為單位，通過醚鍵和碳-碳鍵聯結而成的無定形高聚物。這種高分子化合物含有芳香基、酚羥基醇羥基、羧基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等活性基團，目前并沒有得到高價值的利用，由于缺少合適的技術將其轉化成高價值的材料，絕大多數的木質素被用于焚燒。繼續開發的新技術中應包括將木質纖維素中的所有組分(包括木質素)轉化為新型材料，例如木質纖維素氣凝膠，以更好地迎合環境、經濟、科技的種種挑戰。與傳統的無機氣凝膠(SiO₂，TiO₂和Fe₂O₃)相比，聚合物氣凝膠具有更高的機械強度，能承受更高的沖擊力。同時，木質纖維素氣凝膠還具有成為柔性導體的潛力，因為它可以通過碳化形成交聯的碳氣凝膠。為了合成木質纖維素氣凝膠，首當其沖的挑戰就是將木質纖維素溶解在工作介質中。因此，我們使用了一類對生物大分子具有高溶解性的新型溶劑--離子液體(ILs)。特別是AMImCl(1-烯丙基-甲基咪唑氯鹽1-allyl-3-methylimidazoliumchloride)作為適宜溶解纖維素和木質素的工作介質，可以破壞木質纖維素各組分分子間的氫鍵，瓦解木質素與半纖維素對纖維素的保護作用，破壞纖維素的結晶結構，將各組分大分子相互分開，使木質纖維素完全溶解。但是目前的溶解技術需要至少4h的時間，通常要加長快速的機械攪拌，才能完全的將木質纖維素溶解，而且在制備木質纖維素氣凝膠的過程中，還需要通過反復的凍融過程使高分子發生物理交聯，這一過程耗時長、步驟較復雜，不能快速、大量的生產木質纖維素氣凝膠材料。

發明內容

本發明是要解決現有的木質纖維素氣凝膠材料制備方法中溶解速度慢、制備周期長，不能滿足市場需求的問題，而提供了一種快速溶解木質纖維素制備氣凝膠的方法。

一種快速溶解木質纖維素制備氣凝膠的方法，具體是按以下步驟進行的：

一、取木質纖維素原料經水洗除雜、干燥及粉碎后，過40～200目篩網，然后將木質纖維素原料與離子液體按質量比為0.1～20:100的比例混合后，加熱至150～200℃攪拌5～20min后，得木質纖維素溶液；二、將上述溶液冷卻；三、向步驟二冷卻后的木質纖維素溶液中加入非溶劑，得凝膠；四、將步驟三得到的凝膠經臨界點干燥、超臨界干燥或者冷凍干燥后，即得木質纖維素氣凝膠。

本發明具有以下有益效果：

一、現有的方法制備出的木質纖維素氣凝膠在離子液體中溶解效率較低，至少需要4h以上的溶解時間，而本發明提供的制備方法的木質纖維素氣凝膠在離子液體中溶解時間不超過20min，可以滿足市場的需求；

二、本發明提供的制備方法，制備過程簡單，不需要昂貴設備，原料來源廣泛、成本低廉且環保綠色，制備方法安全性高，不會給環境帶來污染；

三、本發明方法制備的木質纖維素氣凝膠可直接在非溶劑中沉淀膠凝，不需要反復的凍融處理；

四、本發明提供的制備方法過程簡單，工藝容易控制。

五、本發明提供的制備方法制備的木質氣凝膠用途廣泛，可用于隔聲、絕熱、吸油、包裝材料、儲能材料、負載納米粒子、碳氣凝膠前驅體等，屬于高附加值產品，有廣泛應用前景。

本發明步驟一中溫度必須高于木質素的玻璃化溫度，雖然原料木質素種類和含水率的不同會影響玻璃化溫度，但加熱溫度不低于150℃。由于所使用的離子液體在較高的溫度下易分解，加熱的溫度不能高于200℃，加熱的時間不能超過20min。

附圖說明

圖1為試驗1制得的山黃麻木質纖維素氣凝膠的SEM圖；

圖2為試驗2制得的玉米皮木質纖維素氣凝膠的SEM圖；

圖3為試驗3制得的玉米秸稈木質纖維素氣凝膠的SEM圖；

圖4為試驗4制得的制備的杉木木質纖維素氣凝膠的SEM圖；