一种淀粉共混纤维素气凝胶及其制备与应用制造技术

本发明专利技术提供一种淀粉共混纤维素气凝胶及其制备与应用。利用淀粉对纤维素气凝胶进行改性，辅助以高压均质共混以及真空冷冻干燥制得淀粉共混纤维素气凝胶。本发明专利技术利用淀粉的强亲水性，经微细化和老化处理后与纤维素晶须实现共聚反应，改善纤维素基气凝胶的性能、充分利用低廉原料，简化制备工艺流程，为提高复合材料综合性能提供丰富的来源。本发明专利技术的淀粉共混纤维素气凝胶与普通纤维素基气凝胶相比，具有密度小、孔隙率高、体积收缩率小、吸油性能好和动态粘弹性能佳等优点。

A starch blend cellulose aerogel and its preparation and Application

The invention provides a starch blended cellulose aerogel and its preparation and application. Starch blend cellulose aerogels were modified, assisted by high-pressure homogenization and vacuum freeze-drying to prepare starch blend cellulose aerogels. The present invention utilizes the strong hydrophilicity of starch, and then achieves the copolymerization with cellulose whiskers by micro fining and aging treatment, improving the performance of cellulose based aerogels, making full use of cheap raw materials, simplifying the preparation process, and providing a rich source for improving the comprehensive properties of composite materials. Compared with common cellulose based aerogels, the starch blend cellulose aerogel has the advantages of small density, high porosity, small volume shrinkage, good oil absorption performance and good dynamic viscoelasticity.

【技术实现步骤摘要】
一种淀粉共混纤维素气凝胶及其制备与应用
本专利技术涉及纤维素基气凝胶，具体涉及一种淀粉共混纤维素气凝胶及其制备与应用。
技术介绍
目前最常采用的处理水污染的方法有物理处理、化学处理和生物处理，其中以物理处理方法中的吸附最为简单易行，故最为常用。天然材料吸附剂有麦秸、稻壳灰、树脂等，但因其吸附性差和可重复利用性差等缺点而未被大量采用。SiO2气凝胶、氧化石墨烯气凝胶等无机气凝胶具有高吸收率、高孔隙率、大比表面积等优点，但其无法降解，有可能造成二次污染，且成本高等缺点，大大限制应用范围。因此，制备一种新型、绿色、高吸收率、可被环境降解的可再生材料具有重要的经济效益和环境效益迫在眉睫，而纤维素基气凝胶是一种有效的替代材料。纤维素气凝胶作为新一代气凝胶，不仅继承了前一代气凝胶的高孔隙率和大表面积，而且克服了无机气凝胶原料纤维素不可生物降解的问题。近年来人们对纤维素基气凝胶的研究日益深入，研究者希望通过对纤维素基气凝胶进行加工来实现其功能性以及改善油水分离性差和力学性能差等的缺点。科学家试图通过将纤维素与MnFe2O4、SiO2、壳聚糖等其他材料混合来增强纤维素气凝胶的吸油功能和改善其力学性能，但因其材料昂贵或制备工艺复杂而限制了应用。本专利技术采用淀粉共混纤维素制备气凝胶，可充分利用低廉原料，简化制备工艺流程，同时能显著增强纤维素基气凝胶的吸油功能抗蠕变特性和动态粘弹特性，目前国内尚未见到添加淀粉改善纤维素基气凝胶性能的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种淀粉共混纤维素气凝胶及其制备与应用，以提高复合材料的综合性能。本专利技术所提供的淀粉共混纤维素气凝胶，由微晶纤维素、高直链玉米淀粉为原料制成。本专利技术所提供的淀粉共混纤维素气凝胶，为：利用淀粉对纤维素气凝胶进行改性，辅助以高压均质共混以及真空冷冻干燥制得的淀粉共混纤维素气凝胶。本专利技术所提供的淀粉共混纤维素气凝胶通过包括如下步骤的方法制备得到：1)配制微晶纤维素、高直链玉米淀粉和水的共混溶液；2)将上述共混溶液进行高压均质处理，获得均质液；3)将上述均质液冷冻后取出，解冻并搅拌，加入氢氧化钠和尿素，获得湿凝胶；4)将所述湿凝胶依次使用盐酸、水进行置换，得到白色水凝胶；5)将上述白色水凝胶进行真空冷冻干燥处理，获得气凝胶。上述方法步骤1)中，所述微晶纤维素和高直链玉米淀粉在共混前经过超微粉碎处理，以减小其粒径并破坏其结晶结构；所述超微粉碎在行星球磨机中进行；所述行星球磨采用不锈钢磨罐；所述行星球磨采用的介质为直径为6～10mm的氧化锆球，所述介质与所述微晶纤维素、高直链玉米淀粉的质量比分别可为2～10:1和2～6:1，填充率可为25～75％。所述超微粉碎时间可为1～8h；经所述超微粉碎后的所述微晶纤维素和高直链玉米淀粉的粒度分别可为10～30μm和5～15μm。所述共混液在高压均质处理前需经过高速剪切处理，剪切转速可为6000～10000r/min，时间可为5～15min，具体可为8000r/min转速下剪切10min；所述高压均质处理的压力可为40～80MPa，所述高压均质处理循环进行多次，具体可为2～5次；具体可为在60MPa压力下循环进行3次。微晶纤维素和高直链玉米淀粉的混合物与氢氧化钠和尿素的混合物质量、蒸馏水的比依次可为2～4:16～19:81，具体可为4:19:81；所述氢氧化钠和尿素的混合物中氢氧化钠和尿素的质量比可为：4～7:12，具体可为7:12；所述高直链玉米淀粉占所述微晶纤维素和高直链玉米淀粉的混合物的质量的5％～25％。所述高直链玉米淀粉与微晶纤维素的质量比可为：1:3～19，具体可为1:3-9、1:4-9、3:17-27、1:3、1:4，3:17、1:9、1:19。上述方法步骤3)中，所述冷冻的温度可为-10～-30℃，时间可为15～30min，具体可为：-20℃的条件下冷冻15min。在进行置换前，还包括将所述湿凝胶置于-20℃冰箱中冷冻24h的操作。上述方法步骤4)中，所述盐酸可为体积浓度1％～6％(具体可为5％)的盐酸。所述使用盐酸进行置换的操作为：将所述湿凝胶使用盐酸进行洗涤，所述洗涤进行多次，具体可为3～5次，优选为5次；湿凝胶与盐酸的质量比可为1:1；所述使用水进行置换的操作为：将经盐酸置换后的凝胶使用蒸馏水进行洗涤，所述洗涤进行多次，具体可为3～5次，优选为5次。所述白色水凝胶的pH值范围为6.5～7.5。上述方法步骤5)中，所述真空冷冻干燥处理的操作为：将所述白色水凝胶倒入培养皿中进行真空冷冻干燥处理，其中，白色水凝胶在培养皿中的量为：直径为9cm的所述培养皿中转移90～95mL所述水凝胶。所述真空冷冻干燥的条件为：温度可为-60～-30℃，具体可为-30℃；真空度可为10～15Pa，具体可为12Pa；干燥时间可为40～60h，具体可为48h。上述方法制备得到的淀粉共混纤维素气凝胶也属于本专利技术的保护范围。上述淀粉共混纤维素气凝胶作为吸附材料在吸附有机溶剂、油中的应用也属于本专利技术的保护范围。上述淀粉共混纤维素气凝胶还可应用于污水处理，吸附污水中的有机溶剂、油等。所述油具体可为：泵油、亚麻籽油。本专利技术制备的淀粉共混纤维素气凝胶具有一定的吸油特性，如在泵油和亚麻籽油中浸泡24h达到吸油饱和，其吸附倍率分别为8.86～10.63(g/g)和9.13～11.44(g/g)。吸油后的淀粉共混纤维素气凝胶可通过离心或挤压的方式将油排出以达到重复使用的目的。对本专利技术制备的淀粉共混纤维素气凝胶进行动态力学特性的测试表明，淀粉能显著提高纤维素基气凝胶的抗蠕变特性和动态粘弹特性。对于纤维素基气凝胶的开发具有很好的应用前景。本专利技术气凝胶采用淀粉和纤维素等可降解物质，具有完全可生物降解特性。通过添加淀粉不仅可以改善该气凝胶的性能，还可以降低制备成本。具有很好的经济价值和环保价值，值得深入研究和推广。本专利技术具有如下有益效果：1.通过淀粉与纤维素共混制备气凝胶，获得高孔隙率高比表面积低密度的气凝胶可应用于污水处理环节。2.通过真空冷冻干燥获得的淀粉共混纤维素气凝胶具有三维网状结构，可作为吸附剂，广泛吸收有机溶剂、油等，且可通过简单的物理方式达到循环使用的目的。3.通过在纤维素气凝胶中添加淀粉可减低经济成本，对该气凝胶的推广和使用具有社会经济价值。4.淀粉共混纤维素气凝胶具有亲油疏水特性，可有效吸收水中的有机溶剂、油等，对水体无污染，故具有极大的应用潜力。本专利技术利用淀粉的强亲水性，经微细化和老化处理后与纤维素晶须实现共聚反应，改善纤维素基气凝胶的性能、充分利用低廉原料，简化制备工艺流程，为提高复合材料综合性能提供丰富的来源。本专利技术的淀粉共混纤维素气凝胶与普通纤维素基气凝胶相比，具有密度小、孔隙率高、体积收缩率小、吸油性能好和动态粘弹性能佳等优点。目前，国内尚未见到添加淀粉改善纤维素基气凝胶的报道。附图说明图1为本专利技术实施例1-5制备的淀粉共混纤维素的蠕变-恢复的曲线。图2为本专利技术实施例1-5制备的不同含量淀粉共混纤维素的储能模量(A)、损耗模量(B)和tanδ(C)随频率变化曲线。图3为本专利技术实施例1-5制备的不同含量淀粉共混纤维素的储能模量(A)和损耗模量(B)随温度变化曲线。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行说明，但本专利技术并不局限于此。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种淀粉共混纤维素气凝胶，由微晶纤维素、高直链玉米淀粉为原料制成。

【技术特征摘要】
1.一种淀粉共混纤维素气凝胶，由微晶纤维素、高直链玉米淀粉为原料制成。2.制备权利要求1所述的淀粉共混纤维素气凝胶的方法，包括：1)配制微晶纤维素、高直链玉米淀粉和水的共混溶液；2)将上述共混溶液进行高压均质处理，获得均质液；3)将上述均质液冷冻后取出，解冻并搅拌，加入氢氧化钠和尿素，获得湿凝胶；4)将所述湿凝胶依次使用盐酸、水进行置换，得到白色水凝胶；5)将上述白色水凝胶进行真空冷冻干燥处理，获得气凝胶。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述微晶纤维素和高直链玉米淀粉在共混前经过超微粉碎处理；经所述超微粉碎后的所述微晶纤维素和高直链玉米淀粉的粒度分别为10～30μm和5～15μm。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述共混液在高压均质前经过高速剪切处理，所述剪切的转速为6000～10000r/min，时间为5～15min；所述高压均质的压力为40～80MPa，所述高压均质循环进行多次。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，罗琪，宿佃斌，李栋，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11