一种弹性纤维素气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种弹性纤维素气凝胶及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将纳米纤维素悬浮液进行液氮冷冻，然后进行冷冻干燥得到亚微米纤维素纤维；(2)将亚微米纤维素纤维分散于水中进行二次冷冻，然后进行冷冻干燥即制得弹性纤维素气凝胶；通过化学气相沉积法采用硅烷类化合物对弹性纤维素气凝胶进行表面修饰，得到超疏水弹性纤维素气凝胶，将超疏水弹性纤维素气凝胶应用于油水分离领域。本发明专利技术方法得到的弹性纤维素气凝胶在常温及寒冷环境下均具有较好的回弹性和形状恢复性，还具有较低的热传导系数，经过表面修饰后得到的超疏水弹性纤维素气凝胶在油水分离中表现出了超强的分离性能，对氯仿的吸附量可达约自身质量的489倍。倍。倍。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性纤维素气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及高分子材料
，具体涉及一种弹性纤维素气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]作为最轻的固体材料，气凝胶在热调节、能量收集和储存、传感器、环境修复、和生物医学等领域得到了广泛的应用。气凝胶的这种多样化应用归因于其众多优点，包括低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热性和生物相容性。在气凝胶的各种物理性能中，力学性能是限制气凝胶应用的重要因素。人们在提高气凝胶的机械性能方面做了大量的努力，主要集中在提高有机气凝胶和无机气凝胶的抗压性和弹性上，其中具有高回弹性和形状快速恢复性能的气凝胶也得到了进一步的研究，因为从大压缩应变中形状快速恢复的能力对其在电信号传感、水处理、隔热和隔音、空气过滤和储能方面的应用极其重要。
[0003]生物衍生的天然聚合物，特别是纤维素，由于其来源广和易加工性，以此作为制备气凝胶的原料，引起了研究者的极大兴趣。传统的纤维素气凝胶合成需要大量溶剂的溶解再生过程。最近，纳米纤维素，特别是纤维素纳米纤维，已被广泛用于构建高比表面积和优异力学性能的气凝胶。由于高比表面积和丰富的极性官能团，通过冷冻干燥纳米纤维悬浮液可以方便地制备超轻纤维素气凝胶，显示出优异的结构完整性。虽然纳米纤维素气凝胶具有良好的压缩性，可压缩90％以上的应变而不断裂，但压缩后的气凝胶一般回弹性较差，无法从压缩状态恢复。缺乏回弹性的原因是由于非弹性微观结构和压缩过程中相邻纤维素纤维之间形成的强氢键。采用单次冷冻法制备的纳米纤维素气凝胶，由于其在轴向上表现出各向异性弹性，导致回弹性性能不理想。

技术实现思路

[0004]针对常规气凝胶回弹性差、无法从压缩状态恢复的技术问题，而提供一种弹性纤维素气凝胶及其制备方法和应用。本专利技术制得的弹性纤维素气凝胶具有较低的密度和导热系数，在常温及寒冷环境下均具有较好的弹性和形状恢复性。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)将纳米纤维素悬浮液进行液氮冷冻，然后进行冷冻干燥得到亚微米纤维素纤维；
[0008](2)将所述亚微米纤维素纤维分散于水中进行二次冷冻，然后进行冷冻干燥即制得弹性纤维素气凝胶。
[0009]进一步地，步骤(1)中所述纳米纤维素悬浮液是将0.2wt％的纳米纤维素分散液进行离心去除沉淀后收集上层悬浮液，所述离心的转速为3000
‑
800rpm、离心时间为5
‑
10min，将所述上层悬浮液进行稀释得到浓度为0.05wt％的纳米纤维素悬浮液。
[0010]再进一步地，所述纳米纤维素分散液的获得采用TEMPO/NaClO氧化体系对天然纸
浆进行氧化处理20min～5h，在所述氧化处理过程中，采用NaOH溶液控制氧化体系pH为9.8
‑
10.5，氧化处理结束后，采用透析袋透析一周后，经细胞粉碎机处理25min得到纳米纤维素，稀释后，得到0.2wt％的纳米纤维素分散液；所述TEMPO、所述NaClO、所述纸浆的质量比为1:(1.4
‑
5):1。
[0011]进一步地，步骤(2)中所述亚微米纤维素纤维分散于水中后的浓度控制为0.2wt％～2wt％；优选浓度控制为0.2wt％～0.6wt％。
[0012]进一步地，步骤(1)中所述液氮冷冻的温度为
‑
196℃、时间为1
‑
2h；步骤(2)中所述二次冷冻的温度采用温度为
‑
20℃的冰箱冷冻3h；步骤(1)和步骤(2)中所述冷冻干燥采用
‑
55～
‑
45℃的冷冻干燥机进行冷冻48h，冷冻压力为0.02
‑
1Pa。
[0013]本专利技术另一方面提供上述制备方法制得的弹性纤维素气凝胶。
[0014]本专利技术第三方面提供上述制备方法制得的弹性纤维素气凝胶在吸水性材料上的应用或者在隔热材料上的应用。
[0015]本专利技术第四方面提供上述制备方法制得的弹性纤维素气凝胶的应用，通过化学气相沉积法采用硅烷类化合物对所述弹性纤维素气凝胶进行表面修饰得到超疏水弹性纤维素气凝胶，将所述超疏水弹性纤维素气凝胶应用于油水分离领域。
[0016]进一步地，所述化学气相沉积法是将所述弹性纤维素气凝胶置于不锈钢网格上方，所述不锈钢网格下方并排放置分别装有水和所述硅烷类化合物的两个容器，于密闭真空状态下在70～90℃下反应5
‑
7h，制得超疏水弹性纤维素气凝胶。
[0017]再进一步地，所述弹性纤维素气凝胶、所述硅烷类化合物、所述水的用量为(20
‑
25)mg:(1
‑
2)mL:0.5mL；所述硅烷类化合物为甲基三甲氧基硅烷或聚二甲基硅氧烷。
[0018]有益技术效果：
[0019]本专利技术通过液氮冷冻和低温冰箱冷冻的双重冷冻法组装了弹性纤维素气凝胶，再经表面修饰得到了超疏水弹性纤维素气凝胶。本专利技术的弹性纤维素气凝胶的密度为2
‑
20mg/cm3，在常温和极冷环境(
‑
196℃)下均具有较好的形状恢复性，回弹性较佳，具有超弹性；且导热系数低，仅为0.023W/m
·
K，具有良好的隔热和红外屏蔽性能；此外，经过表面修饰后得到的超疏水弹性纤维素气凝胶在油水分离中表现出了超强的分离性能，对氯仿的吸附量可达约自身质量的489倍。本专利技术材料可用于高吸水性材料、隔热材料、油水分离等领域。
附图说明
[0020]图1为实施例1制得的的SEM形貌图，其中a表示纳米纤维素悬浮液，b表示亚微米纤维素纤维，c、d表示弹性纤维素气凝胶；abd图中标尺均为500nm，c图中标尺为500μm。
[0021]图2为实施例1制得的弹性纤维素气凝胶弹性应力
‑
应变曲线图。
[0022]图3为应用例1的超疏水弹性纤维素气凝胶的FTIR曲线，其中a表示实施例2的弹性纤维素气凝胶，b表示应用例1的超疏水弹性纤维素气凝胶。
[0023]图4为应用例1的超疏水弹性纤维素气凝胶的水接触角随时间变化图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术的实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描
述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本专利技术的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将纳米纤维素悬浮液进行液氮冷冻，然后进行冷冻干燥得到亚微米纤维素纤维；(2)将所述亚微米纤维素纤维分散于水中进行二次冷冻，然后进行冷冻干燥即制得弹性纤维素气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纳米纤维素悬浮液是将0.2wt％的纳米纤维素分散液进行离心去除沉淀后收集上层悬浮液，所述离心的转速为3000
‑
800rpm、离心时间为5
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10min，将所述上层悬浮液进行稀释得到浓度为0.05wt％的纳米纤维素悬浮液。3.根据权利要求2所述的一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素分散液的获得采用TEMPO/NaClO氧化体系对天然纸浆进行氧化处理20min～5h，在所述氧化处理过程中，采用NaOH溶液控制氧化体系pH为9.8
‑
10.5，氧化处理结束后，采用透析袋透析一周后，经细胞粉碎机处理25min得到纳米纤维素，稀释后，得到0.2wt％的纳米纤维素分散液；所述TEMPO、所述NaClO、所述纸浆的质量比为1:(1.4
‑
5):1。4.根据权利要求1所述的一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述亚微米纤维素纤维分散于水中后的浓度控制为0.2wt％～2wt％。5.根据权利要求1所述的一种弹性纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述液氮冷冻的温度为
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196℃、时...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦恒飞，姜锋，周月，杨洲，柏寄荣，李溪，康诗飞，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：