[发明专利]一种制备纤维素复合气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于精细化学材料领域，具体涉及一种制备纤维素复合气凝胶的方法。该方法主要是通过加入能与纤维素产生相互作用的碳基改性剂，缩短凝胶化时间，并获得具有高强度、高模量及良好的热稳定性等特点的复合气凝胶。这种制备技术在诸如生物传感、生物载药及生物器件等领域有重要用途。

背景技术

纤维素以其在自然界中含量丰富、环境友好、可再生等特点大量应用于食品、生物医药、包装材料等领域。近年来，环境与能源问题日趋严峻，基于纤维素材料的高性能材料研究得到了更加广泛的关注。众多纤维素材料中，纤维素气凝胶由于密度低、比表面积大，便于贮存和运输，在生物载药、电子器件、复合材料等方面有良好的应用前景。但纤维素气凝胶由于结构缺陷、物理交联等特点使其力学性能受限，因此如何提高纤维素气凝胶的力学性能制备高强度纤维素复合气凝胶成为亟待解决的问题。

增强纤维素气凝胶的方法主要有两种，一是采用与纤维素能产生相互作用的分子增强纤维素分子本身形成的物理交联网络，二是采用有高长径比的填料形成阈渗结构而达到增强的目的。第一种方法一般在纤维素中加入聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)分子，通过其与纤维素分子上的氢键产生相互作用而增加纤维素分子的缠结程度。第二种方法一般在纤维素中加入纤维素水解得到的纤维素晶须达到增强的目的。两种方法各有优势，但若能找到一种方法综合以上两者的优势，很大程度上会使增强效果大大提高。

近年来，对于碳材料的研究一直是科研工作者研究的热点。碳纳米管、氧化石墨烯、石墨烯等由于其出色的物理、化学性能在复合材料领域应用广泛。制备得到的材料拥有出色的导电、导热或者阻燃等性能。除此之外，由于碳材料本身的刚性，高长径比等特点，其对高分子材料的增强能力也不容小觑。研究表明，碳材料在增强PVA、壳聚糖等极性高分子材料的热、力学性能方面取得很好的效果，尤其是表面富含极性基团的碳材料由于与基体产生相互作用而效果显著。同时，也有研究表明碳纳米管由于富含含氧基团可以与纤维素形成氢键从而在水中与纤维素达到共分散的效果，可证明这种氢键相互作用相当强。综上所述，利用表面富含含氧基团的碳材料与纤维素气凝胶复合可以综合以上提到的两种方法的优势，从而获得出色的增强效果。但是，利用碳材料作为改性剂增强纤维素复合气凝胶尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备高强度纤维素复合气凝胶的方法。通过加入可与纤维素形成强烈相互作用的、高形状比以及本身具有高强高模特性的碳材料与纤维素产生氢键等相互作用，缩短相同温度、浓度以及分子量的纤维素溶液形成凝胶的时间，增加纤维素分子间缠结的程度从而达到增强纤维素气凝胶的目的。这种材料可以用于生物载药、生物传感等领域。

本发明的总体方案如下：

将纤维素在一定条件下溶解，再加入一定比例的碳基改性材料，由于碳材料的存在可缩短纤维素溶液形成凝胶的时间，将形成的凝胶进行溶剂交换后，经干燥处理即可制得纤维素复合气凝胶。

1、原料的预处理

为了达到更好的溶解效果，用于制备气凝胶的纤维素，纤维素的粘均分子量在4.5×10⁴到11.4×10⁴，可以事先进行干燥处理。

2、复合溶液的配制

采用各种溶剂溶解纤维素，如利用氢氧化钠/尿素的复合水溶液或者氢氧化钠/硫脲的复合水溶液等，在低温冷冻一段时间，后室温下搅拌溶解纤维素使其溶解。由于纤维素的气凝胶强度与凝胶时间有很大关系，而凝胶时间与纤维素分子量、浓度、温度等均相关。凝胶时间与以上三种因素的相关性如下：改变纤维素分子量时，凝胶时间随分子量的增加而缩短；改变其浓度时，凝胶时间随浓度的增加而缩短；改变温度时，凝胶时间随温度的升高而缩短。因此，可根据是否易于操作这一原则选择相应的分子量、浓度的纤维素以及合适的凝胶温度。随后将碳材料以固体或者水的分散液形式加入配制好的纤维素溶液，为使其均匀分散，在此时溶液最好未开始发生凝胶化。相对于纤维素质量填料的含量以0.1～5％质量百分比为宜。

该步骤中，溶剂纤维素的典型溶剂有氢氧化钠/硫脲水溶液以及氢氧化钠/尿素水溶液。如果是氢氧化钠/硫脲的水溶液，其中氢氧化钠的质量浓度在5～15％，硫脲的质量浓度在2～10％。如果是氢氧化钠/尿素的水溶液，其中氢氧化钠的质量浓度在2～15％，尿素的质量浓度在10～20％，纤维素在溶液中的质量浓度为2％～15％。

碳材料可以是碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(GOS)、还原氧化石墨烯(rGO)等可以与纤维素产生相互作用并且具有高长径比的材料。

3、复合气凝胶的制备