一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶及制备方法和应用，属于太阳能转换利用技术领域。它以含硅纳米无机材料为冷冻基元，生物质聚合物为交联剂，去离子水为溶剂，将三者均匀混合静置凝固形成水凝胶后，再经冷冻形成冰晶，接着采用冷冻干燥技术以去除冰晶从而形成微米

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于气凝胶材料制备
，尤其是用于太阳能转换利用的气凝胶材料，具体涉及一种可定制垂直定向毫米孔
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三维连通微米
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纳米孔的多级孔结构的含硅无机
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有机复合气凝胶的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着不可再生能源的日益消耗，利用可再生能源进行能源转型已成为未来的重要发展趋势。太阳能具有资源丰富，绿色清洁无污染的特点。对太阳能进行利用和转换来代替部分化石能源的消耗，对环境保护及可持续发展具有重要的意义。设计开发具有轻质、高效、可规模化生产的太阳能转换利用材料，是实现太阳能实际应用的重要途径。
[0003]气凝胶材料具有低线性密度，质量轻，低热导率，大比表面积、高孔隙率等优良特点，被广泛应用于生活、生产。气凝胶材料通常在超临界干燥或冷冻干燥条件下形成，具有三维多孔网络骨架结构，而其孔结构特性往往由冷冻基元及交联强度共同影响。一般常用化学交联或物理交联来保证气凝胶的强度。化学交联是指单体在化学交联剂的作用下，引发单体发生缩聚或共聚反应，形成共价键来构筑三维网络结构。物理交联是通过物理作用力，如氢键、配位键、范德华力、分子间缠绕等结合交联而成的三维聚合物网络。选择不同特点的交联剂能够调控气凝胶的孔结构及交联强度，使其满足多种服役环境需求。聚乙烯醇具有丰富的羟基，是一种用途广泛的水溶性高分子聚合物，有良好的成膜性、热稳定性、粘接性、耐磨性、自修复性以及较好的机械强度，并且具有突出的生物相容性、生物可降解性及无毒无害等特性，在环境保护领域具有独特的优势。琼脂作为一种良好的生物相容性多糖类物质，含有丰富的羧基，在90℃水温下溶解，并能在室温下固化，具有优异的可回收性能。因此，选择适当的交联剂，利用多种交联机理，能够有效提高气凝胶的交联强度。
[0004]气凝胶材料具有孔结构可控，孔隙率高的特点，应用于太阳能驱动的水蒸发领域，不仅能够在太阳光吸收方面提供可观的吸光面积，同时能够为水传输和蒸汽逸出提供丰富的通道。因此，气凝胶材料在太阳能驱动的界面水蒸发进行海水淡化，污水处理，光热催化等领域具有广阔的应用前景。然而，气凝胶的内部孔径往往为2
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50nm的介孔，具有单一孔结构的气凝胶在水传输，光吸收，热量传导，能量利用等方面具有诸多限制，而具有多级孔结构的气凝胶无疑会提供更大的比表面积进行太阳能光吸收，同时能够利用孔径调控发挥毛细作用改善供水速率。此外，在气凝胶内部构建直通孔结构，能够利用纵向的盐分浓度差形成表面张力梯度，发挥马兰戈尼效应，促进盐离子迁移，从而实现气凝胶材料的抗盐析出功能设计。而协同利用毫米
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微米
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纳米多级孔结构的光吸收及物质交换能力，更会为气凝胶在海水脱盐，污水处理，空气净化等环境保护领域提供更多的应用潜力。因此，气凝胶的孔径分布及孔结构需要进一步调控优化，从而保障其结构性的同时实现多功能性。
[0005]目前发展较为成熟的气凝胶包括聚合物基气凝胶，生物质气凝胶等，但此类有机气凝胶易燃，其造孔技术及应用受到严重限制，难以进行精确的孔径调控优化。在已报道的构建多级孔结构的方法中，通常是将一到两种造孔方法联合使用。例如中国专利
CN109243849A公开的氮掺杂分级孔石墨烯气凝胶的制备方法是以CaCO3@聚多巴胺颗粒为模板，后经酸洗去除CaCO3从而成孔，但是该方法引入模板剂，不仅需要后续步骤去除，过程复杂，而且不利于控制孔隙形貌及结构。中国专利CN201910435537.3公开了一种利用冷冻铸造成型法制备的无机纳米纤维/有机高分子聚合物复合气凝胶，其具有“层
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栈架
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层”的结构，但只能提供微米通道，在水、气的通量及物质交换传递方面具有一定的局限性。中国专利202110865371.6公开了一种乳液模板法制备气凝胶材料，但该方法对气凝胶的孔径分布及孔结构的调控性能较弱，难以精确调控各类孔型的数量及分布。因此，开发一种无需造孔剂模板，工艺简单，制备高效且能够精确调控孔结构特点及分布的技术来制备孔径优化的多级孔结构气凝胶，对进一步提高其太阳能驱动的水蒸发效率并扩大其适用范围具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]为了精确调控气凝胶孔结构特点及分布，本专利技术提供一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶，该气凝胶不但同时具有毫米
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微米
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纳米三级孔径，而且在制备时无须造孔剂模板。
[0007]本专利技术同时提供这种气凝胶的制备方法和应用。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案整体思路是，首先利用含硅纳米无机材料的高熔点，优良的高温稳定性及高温抗氧化性等优点,以聚乙烯醇，琼脂及戊二醛作为交联剂，协同利用氢键及缩聚反应等物理，化学交联机理，制备了含硅纳米无机
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有机复合多孔双网络气凝胶；该气凝胶不仅利用聚合物材料的强度和韧性保障了气凝胶的力学性能，同时利用无机材料的特性提高了聚乙烯醇/琼脂气凝胶的硬度及阻燃能力，在增强其抗烧蚀性的基础上，使其具备了加工多样性。然后在制备了具有阻燃性能的含硅纳米无机
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有机气凝胶的基础上，利用具有脉冲能量高，加工效率高的脉冲激光技术开发了一种工艺简单高效，且能够精确控制毫米孔数量及分布，孔图案可定制化。
[0009]具体技术方案为：一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶，其特征在于，它以含硅纳米无机材料为冷冻基元，生物质聚合物为交联剂，去离子水为溶剂，将三者均匀混合静置凝固形成含硅无机
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有机复合水凝胶后，再经冷冻形成冰晶，接着采用冷冻干燥技术以去除冰晶从而形成微米
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纳米级含硅无机
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有机复合气凝胶；最后采用脉冲激光技术对所得微米
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纳米级含硅无机
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有机复合气凝胶进行毫米孔定制化冲孔，利用激光器的快速，高能量，冲孔图案可设计化特点对气凝胶的毫米孔孔径、孔形状和孔隙数量进行设计，得到工艺可控，能够满足多场景，复杂服役环境需求下的毫米
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微米
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纳米级多级孔含硅无机
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有机复合气凝胶。
[0010]进一步，所述的含硅纳米无机材料包括但不限于MoSi2，SiO2，Si3N4等。
[0011]进一步，所述的交联剂至少包括聚乙烯醇、琼脂和戊二醛。
[0012]下面提供一种上述基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0013]步骤一：含硅无机
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有机复合水凝胶的制备
[0014]首先称取聚乙烯醇与琼脂，加入去离子水并加热使两种粉末溶解得到均质溶液，随后向溶液中加入戊二醛溶液使其交联，随后在交联液中加入含硅纳米无机粉末得到均匀
的含硅无机
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有机复合溶胶，含硅无机
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有机复合溶胶静置凝固后形成具有一定韧性的含硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶，其特征在于，它以含硅纳米无机材料为冷冻基元，生物质聚合物为交联剂，去离子水为溶剂，将三者均匀混合静置凝固形成含硅无机
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有机复合水凝胶后，再经冷冻形成冰晶，接着采用冷冻干燥技术以去除冰晶从而形成微米
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纳米级含硅无机
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有机复合气凝胶；最后采用脉冲激光技术对所得微米
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纳米级含硅无机
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有机复合气凝胶进行毫米孔定制化冲孔，利用激光器的快速，高能量，冲孔图案可设计化特点对气凝胶的毫米孔孔径、孔形状和孔隙数量进行设计，得到工艺可控，能够满足多场景，复杂服役环境需求下的毫米
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微米
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纳米级多级孔含硅无机
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有机复合气凝胶。2.如权利要求1所述的基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶，其特征在于，所述的含硅纳米无机材料包括但不限于MoSi2，SiO2和Si3N4。3.如权利要求1所述的基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶，其特征在于，所述的交联剂至少包括聚乙烯醇、琼脂和戊二醛。4.一种如权利要求1
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3任一所述的基于脉冲激光的多级孔结构气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：含硅无机
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有机复合水凝胶的制备首先称取聚乙烯醇与琼脂，加入去离子水并加热使两种粉末溶解得到均质溶液，随后向溶液中加入戊二醛溶液使其交联，随后在交联液中加入含硅纳米无机粉末得到均匀的含硅无机
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有机复合溶胶，含硅无机
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有机复合溶胶静置凝固后形成具有一定韧性的含硅无机
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有机复合水凝胶；步骤二：微米
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纳米级含硅无机
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有机复合气凝胶的制备将步骤一中得到的含硅无机
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有机复合水凝胶进行冷冻得到冰晶，随后经真空冷冻干燥得到具有微米
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纳米级含硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪芝，徐瑞琪，赵君，赵明岗，魏娜，王爱萍，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：