[发明专利]一种纤维素凝胶材料、制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维素凝胶材料、制备方法及用途，属于天然高分子材料和固体废弃物资源化两个技术领域。

背景技术

天然纤维素是目前已知年产量最大的天然有机高分子化合物，全世界范围内每年天然纤维素的产量估计在10¹⁰-10¹¹t之间。天然纤维素为无臭、无味的白色丝状物，是D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键键接组成的线型大分子多糖，其聚合度大约为10000-15000。纤维素在水中具有高度的不溶性，同时也不溶于稀酸、稀碱和大多数有机溶剂。纤维素作为天然生成的高分子有机聚合物拥有着良好的力学性能，特别是微米微晶纤维素和纳米微晶纤维素，其弹性模量和拉伸强度仅次于碳纳米管，同时，由于纤维素大分子链为天然成型的大分子链，所以其制造成本要低于凯夫拉纤维或仅为碳纤维的10%。而随着新能源和环保材料研发工作的不断深入，天然纤维素作为一类重要的天然高分子材料备受瞩目，有着非常光明的应用前景。

以天然纤维素为原料制备凝胶材料是近年来纤维素材料的一个热点发展方向，纤维素凝胶材料以其良好的生物相容性和环境友好特性迅速在药物缓释领域和生物组织工程材料领域获得了广泛的关注。钟春燕（细菌纤维素凝胶面膜：中国，CN200610075040.8[P]）制备了一种细菌纤维素凝胶材料，该种材料能够长时间或反复使用，可以缓慢的释放药物，具有良好的营养、保湿效果。张俐娜（一种洋葱结构纤维素凝胶材料的制备方法：中国，CN201310021878.9[P]）以琼脂为模板，天然纤维素为原料，制备了一种具备多层结构的纤维素凝胶材料，该洋葱结构的纤维素凝胶材料的厚度具有可控性，细胞能够很好的在该多层材料上的每层表面及壁上粘附、增值及铺展，该种材料在生物医用领域有广阔的前景和应用。以上专利的开发均为针对纤维素良好的生物相容性而获得成果,但有效利用纤维素优秀的超分子聚集结构和环境友好特性，将纤维素凝胶材料作为一种保温包装材料进行相关的开发研究的，目前还未见相关报道。

发明内容

本发明提供一种纤维素凝胶材料、制备方法及用途，以从废弃秸秆、废弃木料、废弃棉质纺织物提取的纤维素为主要原料，采用“溶胶-凝胶—交联反应—真空干燥”制备纤维素凝胶材料的工艺，以填补现有的技术空白，实现废弃纤维素的再生利用。     

本发明的纤维素凝胶材料的化学结构如下：

本发明的纤维素凝胶材料的制备方法为：

（1）将废弃植物材料破碎、分离、提取烘干制成聚合度为3000～5000的纤维素粉；

（2）向纤维素中加入N,N-二甲基乙酰胺在130～150℃的条件下油浴加热并配合搅拌45～55min，待温度降至95～105℃后，加入无水氯化锂继续搅拌1.5～2.5小时，待温度降至常温条件下后再搅拌6.5～7.5小时，得到反应后的混合物；

（3）将混合物陈化后置于去离子水中置换后获得纤维素水凝胶，然后置于柠檬酸与柠檬酸钠摩尔比为1：0.5～0.75的柠檬酸浓度为0.06～0.32mol/L的35～45℃的混合溶液中，待混合溶液消失后，得到的纤维素凝胶先置于65～75℃的条件加热20~30min，后置于105～115℃的条件加热20～30min；

（4）将步骤（3）加热后的纤维素凝胶再次置于去离子水中交换反应12小时，然后再置于真空条件下干燥后即获得纤维素凝胶材料。

所述废弃植物材料为自于农业、林业和生活中的废弃秸秆、废弃木料、废弃棉质纺织物。

所述N,N-二甲基乙酰胺、无水氯化锂、柠檬酸、柠檬酸三钠均来自于工业化生产。

所述步骤（2）中得到的混合物中N,N-二甲基乙酰胺质量分数为87.24～90.91%，纤维素质量分数为1～5%，无水氯化锂质量分数为7.76～8.09%。

所述步骤（3）混合物陈化的条件是25～35℃陈化11～13h。

所述步骤（3）混合物置换是在去离子水中置换三次，每次12h。

所述真空干燥的条件是在45～55℃的条件下干燥20～24h。

本发明纤维素凝胶材料的用途是：用于保温材料或吸附材料。其中，材料的导热系数为0.15W/m·k-0.22W/m·k，比热容为7.564J/g·K-15.660J/g·K，孔隙率为45%，凝胶材料具备较低的导热系数、较高的比热容以及适宜的孔隙率。