[發明專利]一種適用于層層自組裝工藝的纖維素納米纖絲氣凝膠的制備方法

有效

• 申請號: 202010553866.0
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111621056B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 林濤;張能;殷學風;藺家成;王忠祥;王俊;魏瀟瑤;蔡雪
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C08J9/28
• 分類號: C08J9/28;C08J3/075;C08L79/02;C08L1/04
• 代理公司: 西安乾方知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 61259
• 代理人: 胡思棉

一種適用于層層自組裝工藝的纖維素納米纖絲氣凝膠的制備方法，包括步驟如下：1)，將纖維素納米纖絲在水中分散得到分散液；2)，將聚乙烯亞胺水溶液稀釋至濃度15％；3)，將步驟1)得到的纖維素納米纖絲分散液與步驟2)得到的聚乙烯亞胺水溶液混合使其分散均勻，然后靜置得到結構穩定的纖維素納米纖絲水凝膠；4)，將步驟3)得到的纖維素納米纖絲水凝膠先進行梯度預冷凍，再進行冷凍干燥即可得到纖維素納米纖絲氣凝膠。本發明制備的氣凝膠，具有高濕強度、水中高的形狀穩定性、可壓縮性和可恢復性。

技術領域

本發明屬于氣凝膠技術領域，涉及一種復合氣凝膠，特別是涉及一種基于梯度定向冷凍的適用于層層自組裝工藝的纖維素納米纖絲氣凝膠及其制備制法和應用。

背景技術

納米纖維素氣凝膠是一種綠色可生物降解的納米多孔材料。它既結合了傳統二氧化硅氣凝膠和聚合物基氣凝膠的優異性能，如低密度、高比表面積和高孔隙率等，同時又具備天然纖維素自身的獨特性能，如親水性和生物相容性。這些特征使得納米纖維素氣凝膠在環境修復、催化劑、能量存儲、光電器件絕緣材料等方面具有廣泛的應用。目前，納米纖維素氣凝膠制備過程主要是將以天然生物質資源為原料中的纖維素成分分離瓦解成基元纖絲或纖維素鏈，隨后采用自下而上加工的方法將其重新組裝成低密度、多孔的濕凝膠，最后通過冷凍干燥工藝/超臨界干燥工藝得到具有三維網絡結構的氣凝膠。但是，由于納米纖維素氣凝膠易分散于水中，僅由上述工藝制備的氣凝膠納米結構在層層自組裝(LBL)過程中會發生瓦解現象。

納米纖維素可與無機納米粒子、金屬離子及其氧化物、碳材料、導電高分子等光電材料復合可形成具有導電和儲能效應的多功能復合材料。如以納米纖維素氣凝膠為基體組裝導電活性物質所形成的氣凝膠電極，其多孔結構不僅能夠吸附更多的電解液，還可為電子傳輸、離子擴散提供更多的通道。目前，大部分的納米纖維素氣凝膠功能材料的制備方法是先將功能材料與納米纖維素混合，再制成氣凝膠。然而，這種方法要求功能材料能夠在納米纖維素懸浮液中良好分散，且二者具有良好的相容性。但是，多數無機類的功能材料無法與納米纖維素形成良好的分散，容易出現團聚現象。且部分功能材料被納米纖維素包裹其中，導致利用率大大降低。由此可見，傳統混合型的制備方法，無法有效控制功能材料的微觀特性，更無法實現納米層級的尺度可控。

發明內容

本發明的目的在于制備一種可以在水中可以保持良好的形狀穩定性、可壓縮性和可恢復性并且具有高表面電荷的一種可適用于LBL工藝的CNF氣凝膠。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案是一種適用于層層自組裝工藝的纖維素納米纖絲氣凝膠的制備方法，包括步驟如下：

1)，將纖維素納米纖絲在水中分散得到1wt％的纖維素納米纖絲分散液；其中納米纖維素直徑為5～20nm，長度為1～5μm；

2)，將分子量為70000的聚乙烯亞胺水溶液用去離子水稀釋至濃度15％；

3)，將步驟1)得到的纖維素納米纖絲分散液與步驟2)得到的聚乙烯亞胺水溶液混合使其分散均勻，然后靜置得到結構穩定的纖維素納米纖絲水凝膠；

4)，將步驟3)得到的纖維素納米纖絲水凝膠先進行梯度預冷凍，再進行冷凍干燥即可得到纖維素納米纖絲氣凝膠。

步驟3)中，將步驟1)得到的纖維素納米纖絲分散液與步驟2)得到的聚乙烯亞胺水溶液以質量比為1:2～2:1的比例混合使其分散均勻，然后靜置得到結構穩定的纖維素納米纖絲水凝膠。

步驟4)中，所述梯度預冷凍為向纖維素納米纖絲氣凝膠施加定向的冷凍，在氣凝膠溶液中形成定向溫度梯度，使氣凝膠的水相晶體會在冷凍面處沿著溫度梯度的方向生長，促使纖維素納米纖絲擠壓于冰晶界面間，實現固液分離。

所述梯度預冷凍通過梯度冷凍裝置完成；所述梯度冷凍裝置包括：放置有冷凍液的容器，在所述容器中放置有傳導金屬，所述金屬下端浸沒于冷凍液中，上端位于冷凍液液面之上；所述放置有纖維素納米纖絲水凝膠的容器可通過放置在所述金屬上端面上進行梯度預冷凍。