[發明專利]一種彈性纖維素氣凝膠及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110994538.9
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113637234B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 秦恒飛;姜鋒;周月;楊洲;柏寄榮;李溪;康詩飛
• 申請（專利權）人: 江蘇理工學院
• 主分類號: C08L1/02
• 分類號: C08L1/02;C08J9/28
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 馬曉敏

本發明涉及一種彈性纖維素氣凝膠及其制備方法和應用，包括如下步驟：(1)將納米纖維素懸浮液進行液氮冷凍，然后進行冷凍干燥得到亞微米纖維素纖維；(2)將亞微米纖維素纖維分散于水中進行二次冷凍，然后進行冷凍干燥即制得彈性纖維素氣凝膠；通過化學氣相沉積法采用硅烷類化合物對彈性纖維素氣凝膠進行表面修飾，得到超疏水彈性纖維素氣凝膠，將超疏水彈性纖維素氣凝膠應用于油水分離領域。本發明方法得到的彈性纖維素氣凝膠在常溫及寒冷環境下均具有較好的回彈性和形狀恢復性，還具有較低的熱傳導系數，經過表面修飾后得到的超疏水彈性纖維素氣凝膠在油水分離中表現出了超強的分離性能，對氯仿的吸附量可達約自身質量的489倍。

技術領域

本發明涉及高分子材料技術領域，具體涉及一種彈性纖維素氣凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

作為最輕的固體材料，氣凝膠在熱調節、能量收集和儲存、傳感器、環境修復、和生物醫學等領域得到了廣泛的應用。氣凝膠的這種多樣化應用歸因于其眾多優點，包括低密度、高孔隙率、高比表面積、低導熱性和生物相容性。在氣凝膠的各種物理性能中，力學性能是限制氣凝膠應用的重要因素。人們在提高氣凝膠的機械性能方面做了大量的努力，主要集中在提高有機氣凝膠和無機氣凝膠的抗壓性和彈性上，其中具有高回彈性和形狀快速恢復性能的氣凝膠也得到了進一步的研究，因為從大壓縮應變中形狀快速恢復的能力對其在電信號傳感、水處理、隔熱和隔音、空氣過濾和儲能方面的應用極其重要。

生物衍生的天然聚合物，特別是纖維素，由于其來源廣和易加工性，以此作為制備氣凝膠的原料，引起了研究者的極大興趣。傳統的纖維素氣凝膠合成需要大量溶劑的溶解再生過程。最近，納米纖維素，特別是纖維素納米纖維，已被廣泛用于構建高比表面積和優異力學性能的氣凝膠。由于高比表面積和豐富的極性官能團，通過冷凍干燥納米纖維懸浮液可以方便地制備超輕纖維素氣凝膠，顯示出優異的結構完整性。雖然納米纖維素氣凝膠具有良好的壓縮性，可壓縮90％以上的應變而不斷裂，但壓縮后的氣凝膠一般回彈性較差，無法從壓縮狀態恢復。缺乏回彈性的原因是由于非彈性微觀結構和壓縮過程中相鄰纖維素纖維之間形成的強氫鍵。采用單次冷凍法制備的納米纖維素氣凝膠，由于其在軸向上表現出各向異性彈性，導致回彈性性能不理想。

發明內容

針對常規氣凝膠回彈性差、無法從壓縮狀態恢復的技術問題，而提供一種彈性纖維素氣凝膠及其制備方法和應用。本發明制得的彈性纖維素氣凝膠具有較低的密度和導熱系數，在常溫及寒冷環境下均具有較好的彈性和形狀恢復性。

為了達到以上目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種彈性纖維素氣凝膠的制備方法，包括如下步驟：

(1)將納米纖維素懸浮液進行液氮冷凍，然后進行冷凍干燥得到亞微米纖維素纖維；

(2)將所述亞微米纖維素纖維分散于水中進行二次冷凍，然后進行冷凍干燥即制得彈性纖維素氣凝膠。

進一步地，步驟(1)中所述納米纖維素懸浮液是將0.2wt％的納米纖維素分散液進行離心去除沉淀后收集上層懸浮液，所述離心的轉速為3000-800rpm、離心時間為5-10min，將所述上層懸浮液進行稀釋得到濃度為0.05wt％的納米纖維素懸浮液。

再進一步地，所述納米纖維素分散液的獲得采用TEMPO/NaClO氧化體系對天然紙漿進行氧化處理20min～5h，在所述氧化處理過程中，采用NaOH溶液控制氧化體系pH為9.8-10.5，氧化處理結束后，采用透析袋透析一周后，經細胞粉碎機處理25min得到納米纖維素，稀釋后，得到0.2wt％的納米纖維素分散液；所述TEMPO、所述NaClO、所述紙漿的質量比為1:(1.4-5):1。

進一步地，步驟(2)中所述亞微米纖維素纖維分散于水中后的濃度控制為0.2wt％～2wt％；優選濃度控制為0.2wt％～0.6wt％。