一种生物质微纳纤维气凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物质微纳纤维气凝胶的制备方法，属于气凝胶制备领域。本发明专利技术利用虾壳制备出纯化甲壳素，通过超声纤丝化处理得到甲壳素纳米纤维，后再通过透析浓缩制得凝胶，最后干燥，从而得到生物质微纳纤维气凝胶的制备方法。该方法操作简单、方法新颖，不仅利用虾壳为原料制备出纯化甲壳素，实现了废物利用，减少了资源的浪费，使得制得的气凝胶可自行降解，而且利用超声纤丝化处理得到甲壳素纳米纤维，在保持α-甲壳素化学结构的同时，将其作为一维纳米组装单元，具有较强的机械性能，形成具有足够强度的支架，使得气凝胶结构坚固，不易破裂，增加了材料的抗压抗拉性能。

Method for preparing biomass micro nano fiber aerogel

The invention discloses a preparation method of a biomass micro nano fiber aerogel. The invention uses shrimp shell prepared by purification of chitin, chitin nanofibers obtained through fibrillated processing ultrasound, and then by dialyzing the gel, finally drying, preparation method and micro nano aerogel fiber biomass. The method is simple, novel, not only with shrimp shell as raw material to produce purified chitin, the use of waste, reduce the waste of resources, making the aerogel prepared by degradation, and the use of ultrasonic processing fibrillated nanofibers to obtain chitin, the chemical structure of alpha chitin at the same time, the as one dimensional nano assembly unit, it has strong mechanical property, forming the bracket with sufficient strength, the aerogel structure is strong, not easy to break, increase the tensile and compressive properties of materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种生物质微纳纤维气凝胶的制备方法，属于气凝胶制备领域。
技术介绍
木质纤维素是地球上含量最丰富的物质，广泛存在于木本与草本植物中。木材中微纤丝不但具有很高的长径比，还具有天然分子的可再生性、可循环性和可生物降解性，但是微纤丝却在植物细胞壁中被半纤维素和木质素紧密包埋，这就使得人们开始寻找各种手段来分离出微纤丝或数根微纤丝的纳米级聚集体，即理想的一维纳米组装单元，纳米纤丝化纤维素NFC。另外，甲壳素是地球上第二大生物质资源，大部分的甲壳素没有进行有效开发就当成工业垃圾（虾皮和蟹壳）而丢弃，这些生物质资源每年全球产量超过2000亿吨，可以作为天然高分子原料加以有效利用。天然高分子制品能满足人们对新材料环保型和生物相容性的需求，是一类具有广泛发展前景的天然聚合物材料，比如天然高分子气凝胶材料。气凝胶是一种结构可控的新型低密度、高孔隙率的纳米多孔材料，具有连续的网络结构，纳米量级的孔洞尺寸和颗粒直径，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止保温性能最好的材料。因其具有纳米多孔结构、低密度、低介电常数、低导热系数、高孔隙率、高比表面积等特点。气凝胶明显不同于其相应的宏观玻璃态材料，在力学、声学、热学、光学等方面均具有独特的性质，如极低的固态和气态热导率、低折射率，低弹性模量、低声阻抗、强吸附性能等，在航空航天、化工、节能建筑、军事、通讯、电子、冶金等领域有着广泛的应用前景。虽然天然高分子气凝胶材料具备传统气凝胶超低密度、统一纳米级孔径、高孔隙率和高比表面积的特性，但是自身的性能有待改进，如良好的机械特性和可降解性，除此以外，气凝胶在干燥过程中受毛细管压力作用，容易引起收缩、毛细管张力和破裂。因此，制备一种具有良好的机械特性、可自行降解且不易破裂的天然高分子气凝胶材料是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题：针对目前常用的天然高分子气凝胶材料虽具备传统气凝胶超低密度、统一纳米级孔径、高孔隙率和高比表面积的特性，但自身的机械性能、可降解性较差，且非常脆弱，易破裂的现状，提供了一种利用虾壳制备出纯化甲壳素，通过超声纤丝化处理得到甲壳素纳米纤维，后再通过透析浓缩制得凝胶，最后干燥，从而得到生物质微纳纤维气凝胶的制备方法。本专利技术操作简单、方法新颖，不仅利用虾壳为原料制备出纯化甲壳素，实现了废物利用，减少了资源的浪费，使得制得的气凝胶可自行降解，而且利用超声纤丝化处理得到甲壳素纳米纤维，在保持α-甲壳素化学结构的同时，将其作为一维纳米组装单元，具有较强的机械性能，形成具有足够强度的支架，使得气凝胶结构坚固，不易破裂，增加了材料的抗压抗拉性能，具有更广阔的应用前景。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：（1）称取500～600g虾壳放入玛瑙研钵中，研磨20～30min后得虾壳粉，再将其移入索式抽提器中，以质量浓度为92%乙醇溶液作为抽提液并水浴加热升温至75～85℃，抽提回流5～7h，进行脱色、脱脂；（2）量取1～2L质量浓度为2%氯酸钾溶液，向其中逐滴滴入食用白醋，直至溶液pH达到3～4，再加入3～5mL质量浓度为10%双氧水溶液，混合均匀，得酸化氧化液，将上述经脱色、脱脂处理后的虾壳浸入酸化氧化液中，静置，浸泡氧化4～6h，过滤后将滤渣用温度为85～95℃，质量浓度为5%氢氧化钾溶液反复冲洗1～2h，脱除虾壳蛋白质；（3）将脱除蛋白质后的虾壳浸入浓度为0.3mol/L盐酸溶液中，在70～90℃下微波辅助浸渍2～3h，去除其中的矿物盐，过滤后将滤渣放入烘箱在105～110℃下干燥至恒重，得纯化甲壳素；（4）称取20～30g纯化甲壳素分散于2～3L去离子水中，形成甲壳素分散液，将其移入超声细胞破碎机中，以200～300W功率进行纳米纤化处理30～40min，其中超声工作时间为0.1～0.2s，周期暂停时间为0.4s，将微米级的甲壳素纤维纳米纤丝化，得到粘稠透明的甲壳素纳米纤化纤维分散液；（5）将上述得到的甲壳素纳米纤化纤维分散液装入透析袋中，以浓度为1mol/L叔丁醇作为透析置换液，流动透析36～48h，得透明胶状甲壳素微纳纤维水凝胶；（6）将透析置换后的甲壳素微纳纤维水凝胶倒入塑料模具中，放置在-15～-10℃冰箱里预冷10～15min后，再用冷冻干燥机于20～30Pa压力下冷冻干燥3～4h后，脱模，即得一种生物质微纳纤维气凝胶。本专利技术制得的生物质微纳纤维气凝胶孔径为18～28nm，接触角为127.5～134.8°，密度为5.6～6.8mg/cm3，介电常数为1.2～2.2，导热系数为0.012～0.022w/m·k，孔隙率为85～93％，比表面积350～650m2/g。本专利技术的应用方法是：将本专利技术制得的生物质微纳纤维气凝胶加入到油墨打印机中，利用其高比表面积，用作为添加剂，其中加入量为每500～1200mL油墨中加入1～3g气凝胶，即可，使用后不仅可以扩张油墨微颗粒表面张力，而且增强吸附能力使得打印出来的图案更加清晰、更加逼真。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术工艺简单，操作方便，可控性好，在制备过程中不会产生环境不利因素，不含对人体危害成分，适合大规模生产应用；（2）本专利技术利用虾壳为原料制备出纯化甲壳素，实现了废物利用，减少了资源的浪费，使得制得的气凝胶可自行降解；（3）本专利技术利用超声纤丝化处理得到甲壳素纳米纤维，在保持α—甲壳素化学结构的同时，将其作为一维纳米组装单元，具有较强的机械性能，使得气凝胶不易破裂，物理性能更佳。具体实施方式首先称取500～600g虾壳放入玛瑙研钵中，研磨20～30min后得虾壳粉，再将其移入索式抽提器中，以质量浓度为92%乙醇溶液作为抽提液并水浴加热升温至75～85℃，抽提回流5～7h，进行脱色、脱脂；然后量取1～2L质量浓度为2%氯酸钾溶液，向其中逐滴滴入食用白醋，直至溶液pH达到3～4，再加入3～5mL质量浓度为10%双氧水溶液，混合均匀，得酸化氧化液，将上述经脱色、脱脂处理后的虾壳浸入酸化氧化液中，静置，浸泡氧化4～6h，过滤后将滤渣用温度为85～95℃，质量浓度为5%氢氧化钾溶液反复冲洗1～2h，脱除虾壳蛋白质；随后将脱除蛋白质后的虾壳浸入浓度为0.3mol/L盐酸溶液中，在70～90℃下微波辅助浸渍2～3h，去除其中的矿物盐，过滤后将滤渣放入烘箱在105～110℃下干燥至恒重，得纯化甲壳素；接下来称取20～30g纯化甲壳素分散于2～3L去离子水中，形成甲壳素分散液，将其移入超声细胞破碎机中，以200～300W功率进行纳米纤化处理30～40min，其中超声工作时间为0.1～0.2s，周期暂停时间为0.4s，将微米级的甲壳素纤维纳米纤丝化，得到粘稠透明的甲壳素纳米纤化纤维分散液；之后将上述得到的甲壳素纳米纤化纤维分散液装入透析袋中，以浓度为1mol/L叔丁醇作为透析置换液，流动透析36～48h，得透明胶状甲壳素微纳纤维水凝胶；最后将透析置换后的甲壳素微纳纤维水凝胶倒入塑料模具中，放置在-15～-10℃冰箱里预冷10～15min后，再用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质微纳纤维气凝胶的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）称取500～600g虾壳放入玛瑙研钵中，研磨20～30min后得虾壳粉，再将其移入索式抽提器中，以质量浓度为92%乙醇溶液作为抽提液并水浴加热升温至75～85℃，抽提回流5～7h，进行脱色、脱脂；（2）量取1～2L质量浓度为2%氯酸钾溶液，向其中逐滴滴入食用白醋，直至溶液pH达到3～4，再加入3～5mL质量浓度为10%双氧水溶液，混合均匀，得酸化氧化液，将上述经脱色、脱脂处理后的虾壳浸入酸化氧化液中，静置，浸泡氧化4～6h，过滤后将滤渣用温度为85～95℃，质量浓度为5%氢氧化钾溶液反复冲洗1～2h，脱除虾壳蛋白质；（3）将脱除蛋白质后的虾壳浸入浓度为0.3mol/L盐酸溶液中，在70～90℃下微波辅助浸渍2～3h，去除其中的矿物盐，过滤后将滤渣放入烘箱在105～110℃下干燥至恒重，得纯化甲壳素；（4）称取20～30g纯化甲壳素分散于2～3L去离子水中，形成甲壳素分散液，将其移入超声细胞破碎机中，以200～300W功率进行纳米纤化处理30～40min，其中超声工作时间为0.1～0.2s，周期暂停时间为0.4s，将微米级的甲壳素纤维纳米纤丝化，得到粘稠透明的甲壳素纳米纤化纤维分散液；（5）将上述得到的甲壳素纳米纤化纤维分散液装入透析袋中，以浓度为1mol/L叔丁醇作为透析置换液，流动透析36～48h，得透明胶状甲壳素微纳纤维水凝胶；（6）将透析置换后的甲壳素微纳纤维水凝胶倒入塑料模具中，放置在‑15～‑10℃冰箱里预冷10～15min后，再用冷冻干燥机于20～30 Pa压力下冷冻干燥3～4h后，脱模，即得一种生物质微纳纤维气凝胶。...

【技术特征摘要】
1.一种生物质微纳纤维气凝胶的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取500～600g虾壳放入玛瑙研钵中，研磨20～30min后得虾壳粉，再将其移入索式抽提器中，以质量浓度为92%乙醇溶液作为抽提液并水浴加热升温至75～85℃，抽提回流5～7h，进行脱色、脱脂；
（2）量取1～2L质量浓度为2%氯酸钾溶液，向其中逐滴滴入食用白醋，直至溶液pH达到3～4，再加入3～5mL质量浓度为10%双氧水溶液，混合均匀，得酸化氧化液，将上述经脱色、脱脂处理后的虾壳浸入酸化氧化液中，静置，浸泡氧化4～6h，过滤后将滤渣用温度为85～95℃，质量浓度为5%氢氧化钾溶液反复冲洗1～2h，脱除虾壳蛋白质；
（3）将脱除蛋白质后的虾壳浸入浓度为0.3mol/L盐酸溶液中，在70～90℃下微波辅助浸渍2～3h，去除其中的矿物盐，过滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明生，林大伟，张帆，
申请(专利权)人：江苏时空涂料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32