一种各向异性木基纳米纤维气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，选用密度为80～150mg/cm

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性木基纳米纤维气凝胶及其制备方法
本专利技术属于纳米纤维气凝胶
；更具体地，涉及一种各向异性木基纳米纤维气凝胶及其制备方法。
技术介绍
：气凝胶是在保持凝胶三维网络结构不变的条件下，将其中的液体溶剂去除后形成的一种以气体为分散介质、具有三维多孔网络结构的固态材料。气凝胶材料通常具有大量纳米尺寸的孔隙结构，赋予材料高孔隙率、高比表面积、低密度以及优异的隔音隔热性能等。1931年，美国科学家Kistler通过水解水玻璃首次制备出二氧化硅(SiO2)气凝胶。20世纪70年代以来，随着溶胶-凝胶技术的快速发展，以SiO2为代表的无机气凝胶，以间苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛缩聚物为代表的合成聚合物气凝胶的基础研究和应用开发获得广泛关注。近年来，随着新材料技术的发展，利用石墨烯、碳纳米管等为结构单元制备气凝胶材料的研究日渐增多。然而，石墨烯、碳纳米管气凝胶制备成本高，无机气凝胶力学性能较差(易碎)，合成聚合物气凝胶生物降解性差，一定程度上限制了这些气凝胶材料的应用。纤维素气凝胶是继无机气凝胶和合成气凝胶之后的新一代气凝胶材料。纤维素气凝胶作为一种天然高分子气凝胶材料，兼具气凝胶材料比表面积大、孔隙率高等优点，同时融入“绿色”纤维素材料自身的优势，如原材料来源广泛且可再生、可生物降解性、生物相容性、表面易化学修饰等，因此是一类极具开发价值的环境友好型新材料，在隔热隔音、生物医药、吸附催化、储能等领域具有广阔的应用前景。纤维素气凝胶的制备过程主要包括结构单元的溶解或分散、凝胶的形成和干燥。这种“自下而上”的制备方式虽然能够获得低密度、高孔隙率、高比表面积的气凝胶材料，但是目前纤维素气凝胶的常用结构单元—纳米纤维素(CNF)主要是从植物细胞壁中分离提取，整个过程需要经历复杂的化学、机械处理，消耗大量的化学药品和能源，其制备成本较高，从而限制了纤维素气凝胶的规模化生产。此外，目前纳米纤维素气凝胶主要采用真空冷冻干燥法制备而成，制备的气凝胶材料一般呈无序的三维网络结构(各向同性)，其力学性能较差，在外力作用下易破坏，结构稳定性差。当前，有效提高纤维素气凝胶材料的力学性能仍然是一项技术难题。
技术实现思路
：本专利技术基于“自上而下”的策略，以天然可再生木材为原料，通过对木材细胞壁进行结构调控和功能化修饰，开发了一种具有各向异性结构的木基纳米纤维气凝胶材料。本专利技术的技术方案为：一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，选用密度为80～150mg/cm3的轻木,进行脱木素处理,脱半纤维素处理,制成木基纳米纤维水凝胶,置换水凝胶中的水分，得到纳米纤维醇溶胶,进行冷冻干燥,即得。本专利技术选用密度80～150mg/cm3的轻木，最终可以制备不同密度和孔隙率的气凝胶材料。选用密度为80～120mg/cm3的轻木制备的气凝胶材料密度低、孔隙率高；选用密度为120～150mg/cm3的轻木制备的气凝胶材料密度较高，抗压强度更好。一种各向异性木基纳米纤维气凝胶的制备方法，步骤如下：(1)选用密度为80～150mg/cm3的轻木为初始原料，蒸馏水洗涤，气干备用；(2)将木材浸没于酸性亚氯酸钠溶液中进行脱木素处理，处理时间为3～9小时；(3)将上述处理木材浸渍于双氧水溶液中，加热处理；(4)将上述处理木材浸渍于氢氧化钠溶液中，在50～90℃下加热处理4-11小时，得到木基纳米纤维水凝胶，用蒸馏水清洗水凝胶材料；(5)将上述纳米纤维水凝胶在常温下依次浸泡在N个浓度梯度的叔丁醇溶液中，每个溶液中浸泡20～25小时，得到纳米纤维醇溶胶；(6)将上述纳米纤维醇溶胶进行真空冷冻干燥，得到木基纳米纤维气凝胶。优选的，步骤(2)中酸性亚氯酸钠溶液的配置方法为：配置重量百分比为1％～5％的亚氯酸钠溶液，并用醋酸调节pH值至4～6；优选的，步骤(2)中将木材浸没于酸性亚氯酸钠溶液中在60～90℃下进行脱木素处理，处理时间为6～8小时。本专利技术采用较低温度进行脱木质素处理，处理条件温和，简便。优选的，步骤(3)中双氧水重量百分比为25～30％。双氧水溶液处理可以进一步脱除上述处理木材中的残余木质素。优选的，步骤(3)中加热温度为40～60℃，处理8-12小时。优选的，步骤(4)中将上述处理木材浸渍于重量百分比为6～10％的氢氧化钠溶液中，在60～80℃下加热处理5-10小时，得到木基纳米纤维水凝胶。氢氧化钠溶液对半纤维素有定向脱除作用。优选的，步骤(5)中，N≥3。优选的，步骤(5)中，N＝3，3个浓度梯度的叔丁醇溶液的重量百分比为30％，60％和100％。本专利技术采用叔丁醇置换水凝胶中水分可以减小凝胶孔内的毛细管力，减小干燥过程中对凝胶网状结构的破坏，降低气凝胶的收缩率，从而保持材料内部的多孔结构。优选的，步骤(6)为，将上述纳米纤维醇溶胶放入冰箱中冷冻5～10小时，然后移至真空冷冻干燥机中干燥12～36小时，即得。冷冻干燥前，先将准备干燥的样品置于低温冰箱中，完全冻结进行冷冻干燥，节省冷冻干燥时间，提高工作效率。所述的一种各向异性木基纳米纤维气凝胶用于制备隔热隔音、或吸附催化、或生物医药、或储能领域产品中的应用。选用密度为80～150mg/cm3的轻木为原料，通过化学处理有序剥离出木材细胞壁中木质素和半纤维素，保留纤维素骨架，然后经冷冻干燥制备得到密度低、孔隙度高、具有层状结构的木基纳米纤维气凝胶。经过本专利技术的制备方法，天然木材“蜂窝状”细胞结构演变成片层叠加结构。本专利技术制备的木基纳米纤维气凝胶密度低、孔隙率高、具有良好的压缩性能且富有弹性，是一种绿色环保型气凝胶材料，其制备成本低、可规模化生产，在隔热隔音、吸附催化、生物医药、储能等领域具有广阔的应用前景。图1为实施例制备的木基纳米纤维气凝胶的宏观照片及其显微结构。具体实施方式：下面结合具体实施例来进一步描述本专利技术，本专利技术的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本专利技术的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本专利技术的精神和范围下可以对本专利技术技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本专利技术的保护范围内。实施例1：配置浓度为2％的亚氯酸钠溶液，并用醋酸调节pH至4.5，将尺寸为20mm×20mm×20mm轻木木块(密度约90mg/cm3)浸没于酸性亚氯酸钠溶液中在80℃下处理8小时；将上述处理木材浸渍于25％的双氧水溶液中，在50℃下加热处理10小时；将上述处理木材进一步放入8％的氢氧化钠溶液中，在70℃下处理8小时，得到木基纳米纤维水凝胶材料；用蒸馏水反复清洗水凝胶材料，以去除残留化学药品；将上述纳米纤维水凝胶在室温下依次浸泡在叔丁醇梯度溶液中20小时，以置换水凝胶中的水分，形成纳米纤维醇溶胶；将上述纳米纤维醇溶胶放入冰箱中冷冻8小时，然后移至真空冷冻干燥机中干燥24小时，最终得到木基纳米纤维气凝胶。本实施例制备的木基纳米纤维气凝胶的宏观照片及其显微结构如图1所示，由图可知本实施例制备的木基纳米纤维气凝胶呈白色海绵状，密度低(30mg/cm3)，孔隙率高(98％)。木材经过以上化学处理步骤，其天然的“蜂窝状”细胞结构消失，演变成特殊的片层叠加结构，并且单个片层是由高度定向排列的纳米纤维组成。这种片层叠加结构赋予木基纳米纤维气凝胶材料高度可压缩性能和高弹性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，其特征在于：选用密度为80～150mg/cm3的轻木,进行脱木素处理,脱半纤维素处理,制成木基纳米纤维水凝胶,置换水凝胶中的水分，得到纳米纤维醇溶胶,进行冷冻干燥,即得。

【技术特征摘要】
1.一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，其特征在于：选用密度为80～150mg/cm3的轻木,进行脱木素处理,脱半纤维素处理,制成木基纳米纤维水凝胶,置换水凝胶中的水分，得到纳米纤维醇溶胶,进行冷冻干燥,即得。2.一种各向异性木基纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤如下：(1)选用密度为80～150mg/cm3的轻木为初始原料，蒸馏水洗涤，气干备用；(2)将木材浸没于酸性亚氯酸钠溶液中进行脱木素处理，处理时间为3～9小时；(3)将上述处理木材浸渍于双氧水溶液中，加热处理；(4)将上述处理木材浸渍于氢氧化钠溶液中，在50～90℃下加热处理4-11小时，得到木基纳米纤维水凝胶，用蒸馏水清洗水凝胶材料；(5)将上述纳米纤维水凝胶在常温下依次浸泡在N个浓度梯度的叔丁醇溶液中，每个溶液中浸泡20～25小时，得到纳米纤维醇溶胶；(6)将上述纳米纤维醇溶胶进行真空冷冻干燥，得到木基纳米纤维气凝胶。3.如权利要求2所述的一种各向异性木基纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中酸性亚氯酸钠溶液的配置方法为：配置重量百分比为1％～5％的亚氯酸钠溶液，并用醋酸调节pH值至4～6。4.如权利要求2所述的一种各向异性木基纳米纤维气凝胶的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小青，管浩，刘君良，倪林，程志泳，孟军旺，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院木材工业研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11