一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法及应用，包括以下步骤：(1)将亲水处理后的杨树种子纤维(PCF)、壳聚糖均匀分散在弱酸性的溶液中，形成的粘稠纤维悬浮液通过冷冻干燥，得到具有管状

【技术实现步骤摘要】
一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法及应用


[0001]本专利技术属于溢油吸附材料
，具体涉及一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法，以及该方法所制备气凝胶的具体应用。

技术介绍

[0002]在原油开采和运输过程中，石油泄漏对海洋环境、海洋安全及生态平衡构成了重大威胁。其中，漏油可在最初几分钟时间内以5m/min直径的增加速率迅速覆盖在水面上，并且由于漏油反应缓慢的特性，漏油产生的危害性可长达数十年，从而持续恶化水环境和海洋生态系统。在各种漏油处理技术中，包括机械撇油器、化学分散剂、原地燃烧、生物修复等，吸油材料可对溢油进行原位处理，且对环境无二次污染，被认为是一种更为有效且简便的漏油处理方法，而开发具有高效油液吸附能力的吸油材料具有重要意义。
[0003]目前，具有超亲油性能的三维多孔吸油泡沫或者气凝胶材料在油污染物处理领域受到越来越多的关注。相对于传统吸油材料，吸油泡沫或者气凝胶材料的吸油倍率通常比较高，但其吸油速率却大大受制于材料大的孔隙结构，此外，压缩恢复力学性能差和原材料稀缺是制约很多气凝胶材料走向实际应用的另一主要问题。通过定向冷冻技术制备的超亲油气凝胶内部具有取向的油液传输通道，但同时也因为其各向异性的结构牺牲了材料沿横截面方向的机械性能。马千里等人(CN112619569A)将竹纳米纤维素在液氮中冷冻得到定向的气凝胶材料。Yi等人(J.Hazard.Mater.,2020,385,121507)采用定向冷冻技术得到具有取向孔隙的壳聚糖气凝胶，当对气凝胶施加垂直于取向孔方向上的外力时，由于壳聚糖“弹簧状”片层结构对外力的吸收及释放而具有优异的回复性能；然而在平行于取向孔方向(沿冷冻方向)上无构架的支撑，导致该方向受到外力时产生结构破坏，故该类气凝胶只具有单向的压缩可回复性能。就目前而言，开发生产工艺简单、成本低廉，具有超快油液吸附和优异机械性能的生物质吸油材料具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0004]基于上述技术问题，本专利技术提出一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法及应用。
[0005]本专利技术所采用的技术解决方案是：
[0006]一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)选用杨树种子纤维(俗称的杨絮)为原料，将其进行亲水化处理；
[0008](2)将步骤(1)处理后的杨树种子纤维和壳聚糖粉末均匀分散在弱酸性水溶液中，得到粘稠纤维悬浮液；将粘稠纤维悬浮液倒入模具中，经过冷冻干燥机干燥，得到纤维复合气凝胶；
[0009](3)将步骤(2)得到的纤维复合气凝胶进行交联处理，具体是将纤维复合气凝胶置
于含柠檬醛的无水乙醇溶液中，得到交联的复合气凝胶；
[0010](4)将步骤(3)得到的交联的复合气凝胶采用化学气相沉积法进行疏水改性，得到超疏水复合气凝胶。
[0011]优选的，步骤(1)中，杨树种子纤维亲水化处理的步骤如下：将杨树种子纤维加入到溶解有亚氯酸钠、乙酸的混合溶液中，加热到75
‑
80℃后保持2
‑
2.5h，然后经过清洗、干燥，得到除去表面蜡质的杨树种子纤维。
[0012]优选的，所述混合溶液中亚氯酸钠的含量为1
‑
2wt％；混合溶液配制时，乙酸与水的体积比为0.3
‑
1:100。
[0013]优选的，步骤(2)中：均匀分散后，杨树种子纤维的质量分数为0.4
‑
0.6wt％，壳聚糖的质量分数为0.6
‑
0.8wt％(具体是指分散在弱酸性水溶液中后，溶液中杨树种子纤维的质量分数为0.4
‑
0.6wt％，壳聚糖的质量分数为0.6
‑
0.8wt％)；所述弱酸性水溶液为乙酸水溶液，乙酸水溶液中乙酸与水的体积比为1
‑
2:100。
[0014]优选的，步骤(2)中：进行冷冻时，将粘稠纤维悬浮液倒入不同形状的三维模具中，制备成不同三维外观结构的气凝胶材料，以适应不用的吸油场合。
[0015]优选的，步骤(2)中：冷冻干燥机的干燥时间为40
‑
48h。
[0016]优选的，步骤(3)中：含柠檬醛的无水乙醇溶液中，柠檬醛与无水乙醇的体积比为0.5
‑
1.5:100。
[0017]优选的，步骤(3)中：纤维复合气凝胶置于含柠檬醛的无水乙醇溶液中时，在水浴条件下进行反应，水浴温度为80
‑
85℃，水浴时间为6
‑
10h；反应完成后，用无水乙醇、去离子水依次清洗，然后进行预冻、冷冻干燥。
[0018]优选的，步骤(3)中：纤维复合气凝胶置于含柠檬醛的无水乙醇溶液之前，可先将复合气凝胶浸泡在无水乙醇中2
‑
3h，去除残余的乙酸。
[0019]优选的，步骤(4)中，疏水改性步骤如下：先将交联的复合气凝胶进行调湿，然后置于密闭容器中，并在密闭容器中注射入甲基三甲氧基硅烷，控制反应温度为80℃，反应时间为6
‑
12h。
[0020]上述所制备超疏水气凝胶可在海水中吸附油污染物等方面进行应用。
[0021]本专利技术的有益技术效果是：
[0022]a.采用杨树种子纤维(PCF)和壳聚糖(CS)作为天然架构材料，在冷冻干燥过程中，多个方向上产生的温度梯度促使多个维度上冰晶的形成。其中，中空结构的PCF呈纠缠的弯曲状态，CS形成均匀分布的片状结构，从而形成管状
‑
层状交织的多尺度孔隙结构。通过柠檬醛的交联作用，分散的CS片层结构聚集成连贯的蜂窝状网络结构，CS和PCF之间的交织点得到进一步加强，最终形成具有长“突触”连接的类神经元结构。
[0023]b.本专利技术所制得的复合气凝胶吸油材料由于内部均匀分布的类神经元结构，在受到外力作用时，弯曲的PCF及CS的形状记忆性使得气凝胶在纵向、横向都具有优异的压缩回复性能。
[0024]c.本专利技术所制备的气凝胶通过甲级三甲氧基硅烷改性，具有显著的亲油性能，对各种油液在5
‑
25s内可快速达到吸附平衡，吸油倍率达到28.8
‑
67.8g/g。
[0025]d.由于中空杨树种子纤维提供的二级孔隙，在油液的吸附及传输过程中，PCF充当气凝胶内第二尺度的毛细血管系统，引发气凝胶第二阶段的吸油行为，进一步提高芯吸效
果，最终达到超快的油液吸附及传输作用。
[0026]e.本专利技术制备得到的超疏水气凝胶吸油材料，通过泵抽辅助的方法，可快速且连续地从海水中分离油污染物，油液传输通量达到23052
‑
43956L
·
h
–1·
m
–2。
附图说明
[0027]图1为本专利技术所最终制得超疏水复合气凝胶(M...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选用杨树种子纤维为原料，将其进行亲水化处理；(2)将步骤(1)处理后的杨树种子纤维和壳聚糖粉末均匀分散在弱酸性水溶液中，得到粘稠纤维悬浮液；将粘稠纤维悬浮液倒入模具中，经过冷冻干燥机干燥，得到纤维复合气凝胶；(3)将步骤(2)得到的纤维复合气凝胶进行交联处理，具体是将纤维复合气凝胶置于含柠檬醛的无水乙醇溶液中，得到交联的复合气凝胶；(4)将步骤(3)得到的交联的复合气凝胶采用化学气相沉积法进行疏水改性，得到超疏水复合气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法，其特征在于步骤(1)中，杨树种子纤维亲水化处理的步骤如下：将杨树种子纤维加入到溶解有亚氯酸钠、乙酸的混合溶液中，加热到75
‑
80℃后保持2
‑
2.5h，然后经过清洗、干燥，得到除去表面蜡质的杨树种子纤维。3.根据权利要求2所述的一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法，其特征在于：所述混合溶液中亚氯酸钠的含量为1
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2wt％；混合溶液配制时，乙酸与水的体积比为0.3
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1:100。4.根据权利要求1所述的一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶的制备方法，其特征在于步骤(2)中：均匀分散后，杨树种子纤维的质量分数为0.4
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0.6wt％，壳聚糖的质量分数为0.6...

【专利技术属性】
技术研发人员：董婷，林佳弘，楼静文，田娜，黄效华，池姗，刘彦明，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：