一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法技术

一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法，本发明专利技术涉及改善纤维素气凝胶的力学性能的方法。本发明专利技术要解决现有的纤维素气凝胶力学强度低的问题。方法：一、制备混合溶剂；二、制备均一的纤维素溶液；三、纤维素溶液的加热处理和冰冻；四、酸液浸渍，得到纤维素水凝胶；五、干燥，得到高强度的纤维素气凝胶。本发明专利技术用于一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及改善纤维素气凝胶的力学性能的方法。
技术介绍
随着石化资源的日渐枯竭以及环境污染的加剧，人们对可再生、可降解、可循环利用的自然资源(如纤维素、甲壳素)的研究热情逐渐升温；同时，开发以绿色天然资源为原材料的高性能产品以取代目前市场上大量存在的石化产品已经成为研究热点之一。纤维素作为自然界中储量最丰富的有机高分子聚合物，具有良好的生物相容性、活跃的化学反应性等优异性能。气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不显著改变凝胶本身的网络结构的特殊凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物。气凝胶具有许多独特的优异性能，如：高比表面积、高孔隙率、低密度及良好的热、声、电绝缘性。目前，气凝胶已经被广泛地用作吸附剂、声阻隔膜、保温层、电绝缘材料、催化剂载体等。纤维素气凝胶作为新生的第三代气凝胶材料，在具备传统硅气凝胶和聚合物基气凝胶特性的同时融入了自身的优异性能，如：生物相容性、亲水性、可降解性，在药物缓释、吸附材料、石油泄漏、污水处理等领域具有巨大的应用前景。再生纤维素气凝胶是一种常见的纤维素气凝胶，它的制备工艺需要经由纤维素的溶解、纤维素溶液的再生及干燥等流程。纤维素分子间强烈的氢键作用，使得纤维素难以溶于普通的水或有机溶剂。NaOH和聚乙二醇溶液是一种低价、高效的纤维素溶剂，其溶解机理主要归因于纤维素分子间氢键被碱离子大量破坏，而被劈裂的纤维素分子随后与NaOH水合物或聚乙二醇水合物发生氢键缔合，阻碍了纤维素分子间氢键的重新形成，使得纤维素溶解于该体系中。在随后的再生处理中，随着酸液的加入，溶液中的碱离子被大量中和，使得溶解过程中形成的纤维素分子与溶剂分子水合物间的氢键被大量破坏，因此脱离溶剂分子束缚的纤维素分子间又重新发生氢键缔合，这个复杂的纤维素分子的自组装过程最终导致纤维素水凝胶的形成。然而，在再生处理过程中，随着酸液的加入，原先束缚纤维素分子的碱离子与氢离子发生快速中和反应，而脱离束缚的纤维素分子发生快速的重排、缔合。由于纤维素不溶于水，这些重新缔合的纤维素分子快速脱离水溶液，因此出现明显的相分离。由于这些过程反应迅速，因此影响了形成的纤维素水凝胶的结构均匀性，同时也降低了纤维素分子链间的交联程度，导致干燥所得的纤维素气凝胶的力学强度较
差。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的纤维素气凝胶力学强度低的问题，而提供了一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法。一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法是按照以下步骤进行的：一、在温度为1℃～40℃的条件下，将NaOH和聚乙二醇加入到水中，搅拌0.1h～100h，得到混合溶剂；所述的NaOH与聚乙二醇的质量比为1:(0.01～1)；所述的NaOH与水的质量比为(0.01～0.5):1；二、在温度为1℃～40℃的条件下，将纤维素加入到混合溶剂中，搅拌5h～100h，得到均一的纤维素溶液；所述的纤维素与混合溶剂的质量比为1:(10～1000)；三、将均一的纤维素溶液置于温度为50℃～200℃的条件下，加热1h～100h，然后置于温度为-100℃～-10℃的条件下，冰冻1h～100h，得到冻结的纤维素溶液；四、将冻结的纤维素溶液浸渍在质量百分数为0.1％～30％的酸液中，再生处理1h～100h，再生处理过程中质量百分数为0.1％～30％的酸液每隔1h～100h更换一次，得到纤维素水凝胶；五、将纤维素水凝胶进行干燥处理50h～1000h，即可得到高强度的纤维素气凝胶。本专利技术的有益效果是：一、本专利技术制备的纤维素气凝胶的力学强度高，弹性模量可达到1.03MPa，韧性可达到476kJ·m-3，远高于普通制备的纤维素气凝胶(弹性模量为0.16MPa，韧性为245kJ·m-3)。二、本专利技术所制备的纤维素气凝胶具有更加均匀的三维网络结构。三、本专利技术提供的制备方法，制备过程简单，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉且环保绿色，制备方法安全性高。本专利技术用于一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法。附图说明图1为实施例一得到的高强度的纤维素气凝胶的宏观照片图；图2为实施例一得到的高强度的纤维素气凝胶的扫描电镜图；图3为对比实验得到的纤维素气凝胶的扫描电镜图；图4为压缩应力-应变曲线图，1为实施例一得到的高强度的纤维素气凝胶，2为对比
实验得到的纤维素气凝胶。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式所述的一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法是按照以下步骤进行的：一、在温度为1℃～40℃的条件下，将NaOH和聚乙二醇加入到水中，搅拌0.1h～100h，得到混合溶剂；所述的NaOH与聚乙二醇的质量比为1:(0.01～1)；所述的NaOH与水的质量比为(0.01～0.5):1；二、在温度为1℃～40℃的条件下，将纤维素加入到混合溶剂中，搅拌5h～100h，得到均一的纤维素溶液；所述的纤维素与混合溶剂的质量比为1:(10～1000)；三、将均一的纤维素溶液置于温度为50℃～200℃的条件下，加热1h～100h，然后置于温度为-100℃～-10℃的条件下，冰冻1h～100h，得到冻结的纤维素溶液；四、将冻结的纤维素溶液浸渍在质量百分数为0.1％～30％的酸液中，再生处理1h～100h，再生处理过程中质量百分数为0.1％～30％的酸液每隔1h～100h更换一次，得到纤维素水凝胶；五、将纤维素水凝胶进行干燥处理50h～1000h，即可得到高强度的纤维素气凝胶。本实施方式在纤维素溶液中，纤维素分子与溶剂分子水合物形成的分子间氢键在较高温度下会变得不稳定，继而发生断裂。此外，纤维素分子在高温下运动频率加快，使得氢键断裂后留下的大量的自由羟基发生纤维素分子间的氢键缔合，形成彼此相互缠绕的纤维素分子链团，因此提高了纤维素分子链的交联度。在随后的再生过程中，由于纤维素分子间的相互交织、缠结限制了纤维素链的自由活动，因此降低了脱离溶剂分子束缚的纤维素链的重排、缔合速度，有利于形成结构更加均匀的纤维素水凝胶。同时，由于纤维素分子链间的交联度较高，因此也有利于获得力学性能更加优异的纤维素气凝胶。综上所述，本专利技术采用加热诱导纤维素分子交织、缠结的方法以提高纤维素气凝胶的力学强度。本实施方式的有益效果是：一、本实施方式制备的纤维素气凝胶的力学强度高，弹性模量可达到1.03MPa，韧性可达到476kJ·m-3，远高于普通制备的纤维素气凝胶(弹性模量为0.16MPa，韧性为245kJ·m-3)。二、本实施方式所制备的纤维素气凝胶具有更加均匀的三维网络结构。三、本实施方式提供的制备方法，制备过程简单，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉且环保绿色，制备方法安全性高。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的聚乙二醇分子量为200～40000。其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的水为蒸馏水、去离子水或超纯水。其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的纤维素以椰壳、棉花、滤纸、竹纤维、纸浆、木材或秸秆为原料通过化学法提纯得到的。其它与具体实施方式一至三相同。具体实施方式五：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法，其特征在于一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法是按照以下步骤进行的：一、在温度为1℃～40℃的条件下，将NaOH和聚乙二醇加入到水中，搅拌0.1h～100h，得到混合溶剂；所述的NaOH与聚乙二醇的质量比为1∶(0.01～1)；所述的NaOH与水的质量比为(0.01～0.5)∶1；二、在温度为1℃～40℃的条件下，将纤维素加入到混合溶剂中，搅拌5h～100h，得到均一的纤维素溶液；所述的纤维素与混合溶剂的质量比为1∶(10～1000)；三、将均一的纤维素溶液置于温度为50℃～200℃的条件下，加热1h～100h，然后置于温度为‑100℃～‑10℃的条件下，冰冻1h～100h，得到冻结的纤维素溶液；四、将冻结的纤维素溶液浸渍在质量百分数为0.1％～30％的酸液中，再生处理1h～100h，再生处理过程中质量百分数为0.1％～30％的酸液每隔1h～100h更换一次，得到纤维素水凝胶；五、将纤维素水凝胶进行干燥处理50h～1000h，即可得到高强度的纤维素气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法，其特征在于一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法是按照以下步骤进行的：一、在温度为1℃～40℃的条件下，将NaOH和聚乙二醇加入到水中，搅拌0.1h～100h，得到混合溶剂；所述的NaOH与聚乙二醇的质量比为1∶(0.01～1)；所述的NaOH与水的质量比为(0.01～0.5)∶1；二、在温度为1℃～40℃的条件下，将纤维素加入到混合溶剂中，搅拌5h～100h，得到均一的纤维素溶液；所述的纤维素与混合溶剂的质量比为1∶(10～1000)；三、将均一的纤维素溶液置于温度为50℃～200℃的条件下，加热1h～100h，然后置于温度为-100℃～-10℃的条件下，冰冻1h～100h，得到冻结的纤维素溶液；四、将冻结的纤维素溶液浸渍在质量百分数为0.1％～30％的酸液中，再生处理1h～100h，再生处理过程中质量百分数为0.1％～30％的酸液每隔1h～100h更换一次，得到纤维素水凝胶；五、将纤维素水凝胶进行干燥处理50h～1000h，即可得到高强度的纤维素气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法，其特征在于步骤一中所述的聚乙二醇分子量为200～40000。3.根据权利要求1所述的一种提高纤维素气凝胶的力学强度的方法，其特征在于步骤一中所述的水为蒸馏水、去离子水或超纯水。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李坚，万才超，焦月，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23