一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于吸湿材料技术领域，尤其涉及一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用；该复合气凝胶吸湿材料包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料。实施例结果表明，本发明专利技术提供的复合气凝胶吸湿材料在低湿条件下，仍能达到良好的吸湿效果，并且在室温条件下通过太阳光照即可实现再生。

Composite aerogel hygroscopic material and preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用
本专利技术属于吸湿材料
，尤其涉及一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用。
技术介绍
吸湿材料不仅可以去除环境中多余的水分降低环境湿度，而且还可以吸收干燥环境中的痕量水从而使水分固定下来，在沙漠、戈壁等取水领域有着重要的应用，因此引起了各国科学家的广泛关注。吸湿材料主要是利用固体干燥剂表面的蒸气压与大气环境的蒸气压之间的差值作为吸湿动力，再利用外界的能源(太阳能、地热能、各类废热余热)将吸附材料中的水解吸再生。因此一个性能优良的吸湿材料不仅要具有高的吸水率，快速的吸附速率，还应该具有较低的再生能耗。目前研究较多的是将多孔性材料与吸湿剂复合，改善其吸湿能力和液解现象及再生性。例如中国专利200810072157.X公开将大麻杆芯粉与吸湿剂结合制备干燥剂，该材料具有很好的干燥和除湿作用，但是以此制得的干燥剂吸附量有限，吸水率低；再如中国专利20171027846.7公开将淀粉与烧碱组合可以制备生物干燥剂，但是该材料在吸湿过程中结构容易坍塌，不仅难以有效发挥吸湿性能，并且再生性差；还如，虽然现有技术还存在纳米纤维素和吸湿剂复合材料，但是再生成本高，需要在高温下进行烘干等特定条件下才可实现循环利用，并且回收率低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法，本专利技术提供的复合气凝胶吸湿材料能够对环境高效吸水，尤其在环境湿度低的情况下仍然具有非常高的吸水率；并且结构稳定，在室温阳光照射下即可实现复合材料的连续再生和循环利用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角优选的，所述吸收剂为含碱金属和/或碱土金属的物质；所述生物质纳米纤维素的直径为3～100nm，长径比＞500；所述吸热碳材料为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。优选的，所述复合气凝胶吸湿材料中生物质纳米纤维素相互缠绕形成三维网络结构；所述吸收剂分散在生物质纤维素形成的三维网络结构中；所述改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面或者所述改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。优选的，所述生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料的质量比为1:0.1～5:0.1～5。本专利技术还提供了上述技术方案所述的复合气凝胶吸湿材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将吸热碳材料进行表面亲水改性；将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液；(2)将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液；(3)将所述吸热碳材料分散液加入到所述吸收剂-纳米纤维素混合液中，进行复合，得到复合凝胶；(4)将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料；所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。优选的，所述步骤(3)中复合的方式为静置分层或者搅拌混合；当采用静置分层的复合方式时，所述步骤(3)得到分层复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；当采用搅拌混合的复合方式时，所述步骤(3)得到混合型复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。优选的，所述步骤(1)中表面亲水改性的方式为：采用稀硝酸或亲水高分子表面活性剂对吸热碳材料进行超声处理或者采用臭氧对吸热碳材料进行室温氧化。优选的，采用稀硝酸对吸热碳材料进行改性的方式具体为：将吸热碳材料置于1～10wt％的稀硝酸中进行30～120min的超声处理后水洗至中性；采用亲水高分子表面活性剂进行改性具体为：将吸热碳材料加入到1～5wt％的亲水高分子表面活性剂中超声分散30～120min后过滤；所述亲水高分子表面活性剂为聚苯乙烯磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚；所述亲水高分子表面活性剂溶液和吸热碳材料的体积比为5～10：1。优选的，所述步骤(1)中表面亲水改性的方式为：将吸热碳材料浸没于水中，在O3条件下室温氧化30～120min；所述水碳体积比为5～10：1。本专利技术还提供了上述技术方案所述复合气凝胶吸湿材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的复合气凝胶吸湿材料在除湿或干旱环境取水中的应用。本专利技术提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性吸热碳材料；所述亲水改性吸热碳材料在水中的浸润角本专利技术提供的复合气凝胶吸湿材料生物质纳米纤维素与含碱金属或碱土金属的物质复合提高强度，使其稳定发挥锁水和保水性能；同时吸热碳材料为亲水改性的，使得吸热碳材料与生物质纳米纤维素之间界面结合更为良好，更为有利于二者的协同作用，进而高效地利用太阳光实现吸湿剂的低能耗再生，进而降低复合气凝胶吸湿材料的再生能耗，在室温下即可通过光照实现连续再生和循环利用。实施例的结果表明，本专利技术所述复合气凝胶材料在湿度为28％条件下，仍能达到良好的吸收效果；在室温条件下，即可实现再生循环利用。附图说明图1为本专利技术复合气凝胶的结构示意图；图2为实施例1中步骤1得到的复合气凝胶中生物质纳米纤维素的透射电镜照片；图3为实施例1中步骤1得到的复合气凝胶中生物质纳米纤维素的扫描电镜照片；图4为实施例1所制备的纳米纤维素/吸湿剂/吸热碳材料复合气凝胶吸湿材料的照片；图5为实施例1所制备的纳米纤维素/吸湿剂/吸热碳材料复合气凝胶吸湿材料的扫描电镜照片；图6为对比例1中纳米纤维素/氯化锂复合气凝胶吸湿材料的照片。具体实施方式本专利技术提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角在本专利技术中，所述复合气凝胶吸湿材料包括亲水改性的吸热碳材料；所述吸热碳材料优选为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。在本专利技术中，所述吸热碳材料经过亲水改性得到改性吸热碳材料，以此得到的所述改性吸热碳材料在水中的浸润角<30°，优选≤25°，进一步优选≤19°，更优选≤15°。在本专利技术中，所述复合气凝胶吸湿材料中亲水改性的吸热碳材料，覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；或者所述亲水改性的吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中；如图1本专利技术复合气凝胶的结构示意图所示。本专利技术所采用的吸热碳材料具有高度石墨化的结构不仅在较宽波长范围内具有高吸收率，而且具有非常好的热传导性能，可以高效地利用太阳光实现吸湿剂的低能耗再生，进而降低复合气凝胶吸湿材料的再生能耗。本专利技术通过对石墨烯、碳纳米管、碳纤维表面进行亲水改性，使其与水以及生物质纳米纤维素具有很好的界面结合，从而使得吸热碳材料与纳米纤维素的协同作用，进而复合气凝胶吸湿材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角<30°。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角<30°。


2.根据权利要求1所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述吸收剂为含碱金属和/或碱土金属的物质；
所述生物质纳米纤维素的直径为3～100nm，长径比＞500；
所述吸热碳材料为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。


3.根据权利要求1或2所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述复合气凝胶吸湿材料中生物质纳米纤维素相互缠绕形成三维网络结构；所述吸收剂分散在生物质纤维素形成的三维网络结构中；所述改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面或者所述改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。


4.根据权利要求1或2所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料的质量比为1:0.1～5:0.1～5。


5.权利要求1～4任一项所述的复合气凝胶吸湿材料的制备方法，包括以下步骤，但是不局限于该方法：
(1)将吸热碳材料进行表面亲水改性；将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液；
(2)将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液；
(3)将所述吸热碳材料分散液加入到所述吸收剂-纳米纤维素混合液中，进行复合，得到复合凝胶；
(4)将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料；
所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。

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【专利技术属性】
技术研发人员：范壮军，陈文帅，魏彤，王梦竹，范娟娟，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，东北林业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37