一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用，以有机硅氧烷为前驱体，以纤维素纤维为骨架，通过溶胶‑凝胶法及一步热反应法在纤维素纤维表面原位生长硅凝胶制备出复合湿凝胶纤维，经溶剂置换后通过常温常压干燥制得。该复合气凝胶具备良好的保温性能、力学性能满足服用要求，表面疏水、透湿透气，较之于传统的保温材料受潮湿影响小，适用于各类低温防寒保暖衣物用。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用
本专利技术属于防寒衣物用气凝胶材料及其制备和应用领域，特别涉及一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用。
技术介绍
随着人们生活水平的逐步提高，对防寒保暖衣物提出了新的要求，除了具有基本的保温性能，还追求其轻薄和舒适。从天然棉花、羽绒、多孔的合成纤维棉、到新雪丽(ThinsulateTM，3M)，新型纺织用保温材料不断出现。2008年，美国阿斯彭公司与加拿大高尔夫球装备商21元素公司合作，共同研发了一种名为“零夹层”的服用气凝胶，用这种材料制作的厚度仅0.3厘米的防风衣穿起来和4厘米厚的羽绒服一样暖和。虽然，该产品曾因透气性差、隔热性能太好、出现过热被抱怨过，但服用气凝胶的出现，为服用保温材料开辟了一个新的方向。气凝胶是一种多孔三维网络结构的纳米材料，其孔隙率高达80％以上，空隙中充满空气。这种结构决定了气凝胶具有高比表面积(200-1000m2/g)，低密度(0.003-0.35g/cm3)，低热导率(0.012–0.045W/mK)等特点，使其在轻质保温材料领域具有天然的优势。然而，普通的气凝胶脆性大、力学强度小，很难用于服用方面，只有通过与纤维复合才能赋予其服用所需的强度和韧性。已有的纤维/SiO2复合气凝胶专利大多以玻璃纤维等无机纤维为骨架，这类材料的耐高温性能比较好，但都不适合低温防寒服用。虽然美国AspenSystems,Inc.已有服用气凝胶，但其以聚酯纤维做骨架，采用成本较高的超临界干燥技术制备。CN107051339A使用的纤维为聚丙烯腈、芳纶或丙纶中的一种，且纤维用量仅为气凝胶质量的1.5％，仅提高了气凝胶的可压缩性，但难以满足服用材料的抗撕裂要求等。CN101948296A虽提及纤维素纤维，但其以SiO2水溶胶为原料，需对气凝胶表面做疏水处理，同时也要采用超临界干燥技术干燥，技术路线相对较长，生产成本较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料及其制备和应用，克服现有气凝胶不能满足服用材料的抗撕裂要求、需要气凝胶表面做疏水处理、且技术路线先对较长，生产成本较高的缺陷，该该材料除具备良好的保温性能外，其力学性能满足服用要求，透湿透气、表面疏水，较之于传统的保温材料受潮湿影响小，适用于各类低温防寒保暖衣物用，且该制备方法工艺简单、安全、成本较低、易于规模化生产。本专利技术的一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料，所述材料以纤维素纤维为骨架，有机硅氧烷为前驱体形成的SiO2气凝胶负载在纤维素纤维的表面和纤维空隙中。优选，所述纤维素纤维为骨架，SiO2气凝胶是以有机硅烷为前驱体，以水为溶剂，通过溶胶-凝胶法在纤维素纤维的表面和纤维的空隙中原位形成的。所述SiO2气凝胶为疏水SiO2气凝胶。所述复合气凝胶材料中，SiO2气凝胶的负载量为30～80％，纤维素纤维含量70～20％。本专利技术的一种所述纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料的制备方法，包括：将纤维素纤维浸入有机硅氧烷水溶胶中，然后密闭条件下反应，得到纤维复合湿凝胶，溶剂置换、干燥，即得纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料。上述制备方法的优选方式如下：所述纤维素纤维为植物纤维素纤维、细菌纤维素纤维中的一种；按纤维粗细，优选所述纤维素纤维为超细纤维、纳米纤维。按纤维形态，所述为各种不同工艺和技术制成的纤维素纤维无纺布。所述有机硅氧烷为含有疏水基团的有机硅氧烷。进一步优选地，所述有机硅氧烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种。所述有机硅氧烷水溶胶具体为：有机硅氧烷加入到含有表面活性剂和碱前驱体的稀酸水溶液中得到。所述表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵；碱前驱体为尿素或硫脲；稀酸水溶液为0.6～3mmol/L的硫酸水溶液、1.2～6mmol/L的盐酸水溶液或5～10mmol/L的醋酸水溶液。所述反应为硅溶胶与硅溶胶及硅溶胶与纤维素在40～100℃缩聚反应1～3天。本专利技术的一种所述方法制备的纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料。本专利技术还提供一种防寒保暖纺织品，采用层压法在所述纤维素纤维/SiO2复合气凝胶上下表面复合防尘透气织物。本专利技术的一种所述纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料的应用，如用于防寒保暖纺织品。有益效果(1)本专利技术中采用含有疏水基团的有机硅氧烷为前驱体，使最终的复合气凝胶具有疏水性能，避免了亲水气凝胶由于吸水作用使得孔洞塌陷而导致结构的破坏和性能的显著下降，且这一疏水复合气凝胶织物较之于传统的保温材料受潮湿影响小。(2)本专利技术采用一步热聚合法，在适当温度下使碱前驱体水解成碱，促进硅溶胶与硅溶胶及硅溶胶与纤维素纤维之间的缩合反应，使硅气凝胶在纤维素纤维上原位生长。由于纤维素纤维表面丰富的羟基在溶胶-凝胶化制备SiO2气凝胶的过程中会参与缩聚反应，这样无需对纤维表面进行改性，即可保证纤维与SiO2气凝胶有良好的界面结合，有利于提高复合气凝胶的使用寿命。(3)本专利技术得到的复合气凝胶材料除了具备良好的保温性能外，其力学性能满足服用要求，透湿透气、表面疏水。传统的保温材料比较容易吸水，而水的导热系数几乎比空气大21倍，只要有15％的回潮率，保温性能就会显著下降。因此，这种疏水的复合气凝胶材料的保温隔热性能较之于传统的保温材料受潮湿影响小，更适用于各类潮湿低温环境的防寒保暖衣物用，且该制备方法工艺简单、安全、成本较低、易于规模化生产。(4)本专利技术所得所述的纤维素纤维/SiO2复合气凝胶的力学性能满足防寒服的基本要求，透气率大于100mm/s，透湿率大于6000g/m2/day，表面接触角大于90°，比表面积大于150g/mm2，密度小于0.25g/cm3，导热系数0.01～0.03W/m·K，最高使用温度300℃，撕裂强度大于6.5N。附图说明图1为实施例1中柔性纤维素纤维/SiO2复合气凝胶照片；图2为实施例1中纤维素纤维/SiO2复合气凝胶的形貌图；其中a为断面图；b为外表面图；图3为实施例1中纤维素纤维/SiO2复合气凝胶的TG图；图4为实施例1中纤维素纤维/SiO2复合气凝胶的表面接触角图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例中性能数据的测试方法或标准如下：比表面积测试采用氮吸附比表面积测试仪(NT1LX-1,美国Quantachormegongsi公司)，表面接触角测试采用全自动视频微观接触角测量仪(OCA40Micro，德国dataphysics公司)，耐热温度测试采用热失重分析仪在空气气氛下测试(升温速度10℃/min，TG209F1，德国耐驰公司)，热导率测试标准GB/T11048-2008《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》，透湿率测试标准GB/T12704.1-2009《纺织品织物透湿性试验方法第一种吸湿法》，撕裂强度测试标准GB/T3917.1-2009《纺织品织物撕破性能第一部分冲击摆锤法撕破强度的测定》实施例1防本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料，其特征在于，所述材料以纤维素纤维为骨架，有机硅氧烷为前驱体形成的SiO2气凝胶负载在纤维素纤维的表面和纤维空隙中。

【技术特征摘要】
1.一种纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料，其特征在于，所述材料以纤维素纤维为骨架，有机硅氧烷为前驱体形成的SiO2气凝胶负载在纤维素纤维的表面和纤维空隙中。2.根据权利要求1所述复合气凝胶材料，其特征在于，所述复合气凝胶材料中，SiO2气凝胶的负载量为30～80％，纤维素纤维含量70～20％。3.一种权利要求1所述纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料的制备方法，包括：将纤维素纤维浸入有机硅氧烷水溶胶中，然后密闭条件下反应，得到纤维复合湿凝胶，溶剂置换、干燥，即得纤维素纤维/SiO2复合气凝胶材料。4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述纤维素纤维为植物纤维素纤维、细菌纤维素纤维中的一种或几种；有机硅氧烷为甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种。5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述有...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文萍，徐文，张君妍，朱美芳，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31