本发明专利技术公开了一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，以纳米纤维素作为原料，柠檬酸或马来酸酐作为交联剂，次磷酸钠作为催化剂，制备交联型纳米纤维素气凝胶，通过控制交联程度改变气凝胶多孔结构和表面粗糙度；以三氯‑（1H,1H,2H,2H‑十七氟癸烷基）硅烷作为低表面能改性试剂，通过化学气相沉积改性制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。本发明专利技术基于交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶，在赋予纳米纤维素气凝胶超双疏性能的同时提高纳米纤维素气凝胶的强度，可大幅提升实际应用性能。
Super double porosity nano cellulose aerogel and preparation method and application thereof
【技术实现步骤摘要】
一种超双疏纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种基于交联结构的复合气凝胶，特别是涉及一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用，属于气凝胶
技术介绍
纳米纤维素气凝胶结合了纳米纤维素和气凝胶的优点，被认为是继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的第三代新兴气凝胶。纳米纤维素由于自身的强亲水性，易吸收空气中的水分从而导致气凝胶结构的坍塌，造成其应用范围受到局限。为了满足实际应用要求，需对纳米纤维素气凝胶进行疏液改性处理。纳米纤维素气凝胶的疏水改性已成为当前的研究热点(MulyadiA,ZhangZ,DengY.ACSappliedmaterials&interfaces,2016,8(4):2732-2740；ZhouS,YouT,ZhangX,etal.ACSAppliedNanoMaterials,2018,1(5):2095-2103；GaoR,XiaoS,GanW,etal.ACSSustainableChemistry&Engineering,2018,6(7):9047-9055.)。然而超疏水表面仍有可能在实际使用中被低表面能的油污染。因而，在超疏水的基础上进一步赋予纳米纤维素气凝胶超疏油性能，制备得到超双疏表面才能真正实现自清洁作用，具备防水、拒油、抗污染、耐腐蚀等性能。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用，实现超双疏性并提高气凝胶的强度。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，以纳米纤维素作为原料，柠檬酸或马来酸酐作为交联剂，次磷酸钠作为催化剂，制备交联型纳米纤维素气凝胶；再以三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷作为低表面能改性试剂，通过化学气相沉积改性制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。本专利技术的方法进一步设置为，包括以下步骤：1)称取设定量的纳米纤维素，加入去离子水搅拌分散均匀配制设定浓度的纳米纤维素悬浮液；2)分别称取交联剂和催化剂，将交联剂和催化剂混合后加入纳米纤维素悬浮液中，搅拌均匀制得混合液；3)将混合液注入模具里，然后将注有混合液的模具浸入液氮中冷冻，直至液氮的液面不再沸腾，再转移至冷冻干燥机冷冻干燥后得到复合气凝胶；4)采用低表面能试剂三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷对复合气凝胶进行改性，制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。本专利技术的方法进一步设置为：所述步骤1)中的纳米纤维素是是一种细菌纳米纤维素，直径在50～100nm，长度1～20μm。本专利技术的方法进一步设置为：所述步骤1)中的纳米纤维素悬浮液浓度为0.5wt％～2.0wt％。本专利技术的方法进一步设置为：所述步骤2)中的交联剂的用量是纳米纤维素绝干质量的0～7％，交联剂和催化剂的摩尔比为2:1。本专利技术的方法进一步设置为：所述步骤3)中的模具采用聚乙烯或硅胶材质制作，模具的上下表面均为金属板；将注有混合液的模具浸入液氮中冷冻3～10min。本专利技术的方法进一步设置为：所述步骤3)中的冷冻干燥是在-91°和0.6Pa条件下真空干燥48h。本专利技术还提供一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶，根据前述的一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法制备得到。本专利技术的气凝胶进一步设置为：所述具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶对水、乙二醇、甘油、蓖麻油和十六烷的接触角均大于150°，具有自清洁性能。本专利技术还提供前述的一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶在催化、传感、隔热、自清洁材料领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：以纳米纤维素气凝胶为基底，通过柠檬酸(CA)或马来酸酐(MAH)化学交联提高气凝胶结构的稳定性并调控多尺度微纳结构，CA和MAH交联后的气凝胶结构差别不大，CA和MAH的加入均起到了构建气凝胶复合纳微粗糙结构的作用，气凝胶基底表面布满了纳米级的纤维素丝，这些纳米纤丝错综复杂互相交织形成多孔结构，共同组成气凝胶的微观的纳微复合多级结构更加符合超双疏性的粗糙表面要求；同时，采用低表面能试剂的三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷(THFOS)试剂进行改性，THFOS在气凝胶表面的存在会降低表面能，使得表面具有排斥液体的能力，从而生成超双疏表面；所以，本专利技术基于交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶，赋予气凝胶超双疏性的同时提高了气凝胶强度，可大幅提升实际应用性能。上述内容仅是本专利技术技术方案的概述，为了更清楚的了解本专利技术的技术手段，下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。附图说明图1为本专利技术实施例中CA交联和MAH交联两种复合细菌纳米纤维素(BC)气凝胶的反应机理；图2为本专利技术实施例中气相沉积后的FBA、FBCA-5和FBMA-5的SEM图，图2中a，b：FBA；c，d：FBCA-5；e，f：FBMA-5；图3为本专利技术实施例中BA、FBA、FBCA-5、FBMA-5四个样品的红外谱图；图4为本专利技术实施例中BA、FBA、FBCA-5、FBMA-5四个样品的XPS谱图，图4中a：BA，FBA，FBCA-5和FBMA-5的XPS谱图，b-d对应的分别是C1s，F1s和Si2p的高分辨率的XPS谱图；图5为本专利技术实施例中BA和FBCA-5在C1s峰附近的窄扫描XPS谱图；图6为本专利技术实施例中不同液滴滴在FBMA-5上的直观图。具体实施方式下面结合说明书附图，对本专利技术作进一步的说明。本专利技术提供一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，以纳米纤维素作为原料，柠檬酸或马来酸酐作为交联剂，次磷酸钠作为催化剂，制备交联型纳米纤维素气凝胶；再以三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷作为低表面能改性试剂，通过化学气相沉积改性制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。制备方法具体为，包括以下步骤：1)称取设定量的纳米纤维素，加入去离子水搅拌分散均匀配制设定浓度的纳米纤维素悬浮液；2)分别称取交联剂和催化剂，将交联剂和催化剂混合后加入纳米纤维素悬浮液中，搅拌均匀制得混合液；3)将混合液注入模具里，然后将注有混合液的模具浸入液氮中冷冻，直至液氮的液面不再沸腾，再转移至冷冻干燥机冷冻干燥后得到复合气凝胶；4)采用低表面能试剂对复合气凝胶进行改性，制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。实施例的材料表参见如下表1所示，表1中化学品均为分析纯，未经进一步纯化。表1实验原料使用聚乙烯(PE)材质的模具制备BC/CA复合气凝胶。取一定量的BC水分散液(配置浓度为0.5wt％或0.65wt％或2.0wt％的纳米纤维素悬浮液)放在烧杯里用磁力搅拌器搅拌均匀，加入一定量的CA和SHP(CA与SHP摩尔比为2:1)，搅拌均匀后注入PE模具里，PE模具的上表面和下表面为金属板，用夹子夹住金属板固定模具。将固定好的模具浸入液氮中冷冻，直至液氮的液面不再沸腾。冷冻后的样品转移至真空干燥机中冷冻干燥，在-91°和0.6Pa条件下真空干燥48h，即得到BCAs复合气凝胶，将它们命名为BCAs。CA用量为BC绝干质量的0、1％、3％、5％、7％的气凝胶样品分别命名为BA、BCA-1，BCA-3，BCA-5，BCA-7。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：以纳米纤维素作为原料，柠檬酸或马来酸酐作为交联剂，次磷酸钠作为催化剂，制备交联型纳米纤维素气凝胶；再以三氯‑(1H,1H,2H,2H‑十七氟癸烷基)硅烷作为低表面能改性试剂，通过化学气相沉积改性制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。
【技术特征摘要】
1.一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：以纳米纤维素作为原料，柠檬酸或马来酸酐作为交联剂，次磷酸钠作为催化剂，制备交联型纳米纤维素气凝胶；再以三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷作为低表面能改性试剂，通过化学气相沉积改性制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)称取设定量的纳米纤维素，加入去离子水搅拌分散均匀配制设定浓度的纳米纤维素悬浮液；2)分别称取交联剂和催化剂，将交联剂和催化剂混合后加入纳米纤维素悬浮液中，搅拌均匀制得混合液；3)将混合液注入模具里，然后将注有混合液的模具浸入液氮中冷冻，直至液氮的液面不再沸腾，再转移至冷冻干燥机冷冻干燥后得到复合气凝胶；4)采用低表面能试剂三氯-(1H,1H,2H,2H-十七氟癸烷基)硅烷对复合气凝胶进行改性，制备得到超双疏纳米纤维素气凝胶。3.根据权利要求2所述的一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的纳米纤维素是一种细菌纳米纤维素，直径在50～100nm，长度1～20μm。4.根据权利要求2所述的一种具有交联结构的超双疏纳米纤维素气凝胶的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟兵，张晴，左克曼，戴红旗，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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