本发明专利技术提供了一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用，涉及纳米纤维素气凝胶相关技术领域。各向同性多功能纳米纤维素气凝胶是以纳米纤维素作为支架，通过原位聚合反应得到一种导电聚吡咯包覆纳米纤维素，其与纳米纤维素共混得到均匀分散液，然后加入硅烷醇溶胶，通过硅烷醇与导电聚吡咯包覆纳米纤维素和纳米纤维素之间的化学反应和氢键作用，得到稳定的气凝胶前驱体溶液，最后经过非定向冷冻干燥和热处理获得的。本发明专利技术制备得到的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶具有优异的压缩性能、疏水性能、保温性能和传感性能，拓宽了应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米纤维素气凝胶相关，特别是涉及一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
1、气凝胶是一种以气相为分散介质、具有独特三维多孔结构的超轻质固体材料。与其它轻质材料相比，气凝胶具有超低密度、高孔隙率、低导热系数和高比表面积等光、电、热、声性能，进而在保温隔热、废水处理、吸附分离、柔性传感、储能转化等方面显示出独特的性质，吸引了科研、生产、设计等领域的广泛关注，成为当前材料科学的重点研究领域之一。
2、社会经济加速发展的同时伴随着工业化进程的加快，人口的增加，资源短缺、环境污染以及生态恶化等问题已经成为制约可持续发展的重要因素。纳米纤维素作为一种天然高分子聚合物，以其为原材料制备的气凝胶具有环境友好、成本低廉、来源广泛的特点。然而，纳米纤维素气凝胶的弹性较差，在外力的压缩下很难回弹，从而严重限制了其应用。为解决这一问题，科研工作者通常采用模板导向合成策略构建有序和分层的结构以提升纳米纤维素气凝胶的弹性，但是该方法难以制备形状复杂、尺寸较大的气凝胶，且制备的各向异性气凝胶的性能在不同方向上相差甚远，严重降低了其实用性。此外，目前关于纳米纤维素气凝胶的研究通常只专注于提升其某一特定性能，很难满足气凝胶在复杂环境和领域中应用的需求。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供了一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶及其制备方法和应用，本专利技术通过非定向冷冻干燥和热处理技术构建一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶对拓宽应用领域具有重要意义。</p>2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术提供了一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
4、1)将吡咯与醇试剂混合、搅拌，得到吡咯溶液；
5、将所述吡咯溶液和纳米纤维素分散液混合，得到吡咯-纳米纤维素分散液；
6、将所述吡咯-纳米纤维素分散液与三氯化铁盐酸溶液混合、聚合、抽滤干燥，得到聚吡咯包覆纳米纤维素；
7、所述纳米纤维素分散液中纳米纤维素为细菌纤维素；
8、2)将所述步骤1)得到的聚吡咯包覆纳米纤维素分散于水中，将得到的聚吡咯包覆纳米纤维素分散液与纳米纤维素分散液以等质量比混合、搅拌，得到聚吡咯包覆纳米纤维素-纳米纤维素分散液；
9、3)将所述步骤2)得到的聚吡咯包覆纳米纤维素-纳米纤维素分散液与硅烷醇溶胶混合，得到气凝胶前驱体分散液；
10、所述硅烷醇溶胶的制备方法包括：将甲基三甲氧基硅烷与乙酸溶液混合，得到硅烷醇溶胶；
11、4)将所述步骤3)得到的气凝胶前驱体分散液在-60℃冷冻4h后再真空冷冻干燥，得到冻干材料，将所述冻干材料在70～80℃下热处理10h，得到各向同性多功能纳米纤维素气凝胶。
12、优选的，所述步骤1)吡咯与醇试剂的体积比为1:3，所述吡咯与醇试剂的搅拌时间为30min；
13、所述吡咯溶液和纳米纤维素分散液的体积比为4:25，所述纳米纤维素分散液的含量为0.16％；
14、所述吡咯-纳米纤维素分散液与三氯化铁盐酸溶液的体积比为29:25，所述聚合的条件包括：在温度为0℃和黑暗环境下聚合6～10h；
15、所述三氯化铁盐酸溶液的制备方法包括：将六水合三氯化铁与盐酸溶液混合、搅拌15min，得到；所述六水合三氯化铁的质量与盐酸溶液的体积比为0.84g:50ml，所述盐酸溶液的浓度为2mol/l；
16、所述抽滤干燥的温度为60℃。
17、优选的，所述步骤2)聚吡咯包覆纳米纤维素分散液的质量百分含量为0.05～0.15wt％；
18、所述纳米纤维素分散液的质量百分含量为0.05～0.3％；所述搅拌的时间为4h。
19、优选的，所述步骤3)聚吡咯包覆纳米纤维素-纳米纤维素分散液的质量与硅烷醇溶胶的体积比为12g:0.7～1ml；
20、所述甲基三甲氧基硅烷与乙酸溶液的体积比为1:3；所述乙酸溶液的ph值为3.0～5.0。
21、优选的，所述步骤4)真空冷冻干燥的条件包括：温度为-60℃，时间为4h；
22、所述热处理在氩气环境中进行。
23、优选的，所述步骤4)热处理的升温速度为3～10℃/min。
24、本专利技术还提供了一种上述技术方案所述制备方法制备得到的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶。
25、本专利技术还提供了上述技术方案所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在油水分离中的应用。
26、本专利技术还提供了上述技术方案所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在保温隔热中的应用。
27、本专利技术还提供了上述技术方案所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在柔性智能传感中的应用。
28、本专利技术提供的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶是以纳米纤维素作为支架，通过原位聚合反应得到一种导电聚吡咯包覆纳米纤维素，其与纳米纤维素共混得到均匀分散液，然后加入硅烷醇溶胶，通过硅烷醇与导电聚吡咯包覆纳米纤维素和纳米纤维素之间的化学反应和氢键作用，得到稳定的气凝胶前驱体溶液，最后经过非定向冷冻干燥和热处理获得的。
29、本专利技术的有益效果为：
30、(1)纳米纤维素具有优异的拉伸强度、超强的柔韧性、高度的聚合度和大量的羟基基团，可以以糖为碳源通过多种细菌制备而得，具备环境友好、成本低廉、来源广泛的特点。此外，纳米纤维素与不同功能材料结合制备而得的气凝胶很容易的获得新的特性和附加应用。
31、(2)使用纳米纤维素纳米纤维作为导电聚吡咯的支架，得到的导电聚吡咯包覆纳米纤维素有助于建立均匀稳定的导电网络，在压缩变形过程中可以形成更多的点接触，从而增加导电通路。
32、(3)硅氧烷水解和缩合后会形成含有大量si-o-si键和-ch3基团的聚硅氧烷。刚性si-o-si键与纳米纤维的强耦合可以提升力学性能，-ch3基团可以将纳米纤维素气凝胶从亲水性转变为疏水性。
33、(4)本专利技术提出的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶的制备方式为非定向冷冻干燥法和热处理法，制备方式简单高效、成本低廉。在冷冻的过程中没有温度梯度产生，冰晶原位生长，冷冻干燥后得到的气凝胶具备各向同性微观结构以及优异的压缩性能、疏水性能、保温性能和传感性能，拓宽了应用价值。
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【技术保护点】
1.一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)吡咯与醇试剂的体积比为1:3，所述吡咯与醇试剂的搅拌时间为30min；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)聚吡咯包覆纳米纤维素分散液的质量百分含量为0.05～0.15wt％；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)聚吡咯包覆纳米纤维素-纳米纤维素分散液的质量与硅烷醇溶胶的体积比为12g:0.7～1ml；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)真空冷冻干燥的条件包括：温度为-60℃，时间为4h；
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)热处理的升温速度为3～10℃/min。
7.一种权利要求1～6任一项所述制备方法制备得到的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶。
8.权利要求7所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在油水分离中的应用。
9.权利要求7所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在保温隔热中的应用。
10.权利要求7所述的各向同性多功能纳米纤维素气凝胶在柔性智能传感中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种各向同性多功能纳米纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)吡咯与醇试剂的体积比为1:3，所述吡咯与醇试剂的搅拌时间为30min；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)聚吡咯包覆纳米纤维素分散液的质量百分含量为0.05～0.15wt％；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)聚吡咯包覆纳米纤维素-纳米纤维素分散液的质量与硅烷醇溶胶的体积比为12g:0.7～1ml；
5.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：张翼，隋姗颖，孙志方，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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