[发明专利]一种基于纤维素的磁性气凝胶材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性气凝胶材料及其制备方法，具体涉及一种基于两性纤维素的磁性气凝胶材料及制备方法，属于先进功能复合材料领域。

背景技术

磁性多孔材料可用于普通污水处理、靶向药物载体、靶向功能支架、靶向堵血管材料、靶向医用吸附材料、微波吸附（如：雷达吸收材料）等领域，研究意义大，已受到广泛关注。以上应用领域均要求相应材料具备密度低、比表面积大、吸附能力强、装载能力强的特点，而良好的磁性能则是满足材料易回收、靶向能力强、实现微波吸附的必备条件，现有材料往往难以同时满足多方面性能需求。质轻的多孔磁性材料，除具备微波吸附材料对高温稳定性和高频段范围内吸波性能的高要求外，其在污水处理和靶向医用材料等领域，也便于回收、且容易实现靶向控制。因此，为了满足多领域的应用需求，对低密度、大比表面积、高强度且耐高温磁性材料的开发意义重大。

气凝胶是一类新型的多孔材料，具有比密度低、折射率低、孔隙率高、表面积大、吸附性强等多种独特的性质，已在多个研究领域得到了广泛的应用。为了实现磁性材料的低密度特征，大量研究者正着力开发磁性气凝胶材料，现有技术多采用纯碳材料（如石墨烯、碳纳米管等）作为多孔材料的基材，以满足材料的多功能应用需求。然而，碳基原材料的不可再生性、高成本、低强度等会限制磁性材料的实际应用，从原料上改进，开发低成本、高强度磁性气凝胶材料，意义重大。

纤维素是自然界中储藏量最丰富的可再生资源，全球每年产量达数千亿吨，是石油等无法比拟的可再生重大资源。作为一种具备生物可降解性的天然高分子材料，对纤维素进行降解、改性、深加工，赋予其新功能和应用潜力一直是各国研究的热点。氧化石墨烯是天然石墨经化学氧化及剥离后得到的一种单层碳原子二维纳米材料，其宽厚比高达1000，比表面积大、机械强度高，表面和边缘随机分布着大量含氧基团（片层中间：-OH、C-O-C，边缘：-C=O、-COOH），具有两亲性，从薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布，显示出良好的润湿性能和表面活性，并在水中表现出优越的分散性，经化学还原成石墨烯后更表现出优异的导电性，众多优点使其用于复合材料制备时具备独特优势。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有磁性气凝胶材料存在的基材不可降解且成本高等不足，以可降解的纤维素为基材，提供一种新型的磁性气凝胶材料及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于纤维素的磁性气凝胶材料的制备方法，包括如下步骤：

1、配制浓度为0.01wt%～10wt%的氧化石墨烯的水溶液，按氧化石墨烯与两性纤维素的质量比为1:10～10:1，在转速为200r/min～600 r/min的搅拌条件下将两性纤维素粉末分散于氧化石墨烯水溶液中，得到两性纤维素/氧化石墨烯的二元复合液;

2、将四氧化三铁超声分散于乙醇中，配制浓度为0. 1wt%～10wt%四氧化三铁乙醇溶液，按四氧化三铁与两性纤维素的质量比为1:10～1:200，将四氧化三铁乙醇溶液缓慢加入到步骤1制备的二元复合溶液中，搅拌均匀，得到两性纤维素/氧化石墨烯/四氧化三铁的三元复合液；

3、配制浓度为0.1wt%～2wt%的交联剂水溶液，按交联剂与两性纤维素的质量比为1:50～1:400，在搅拌条件下将交联剂水溶液滴加到步骤2制备的三元复合液中，继续搅拌1～60min后，得到粘稠的氧化石墨烯/四氧化三铁的三元复合物，再经冷冻干燥，得到密度为0.1mg/cm³～40mg/cm³的两性纤维素磁性气凝胶材料。

在本发明技术方案中，所述的两性纤维素粉末为两性微晶纤维素，平均粒径为20～80μm。

两性微晶纤维素的制备，可以以纤维素纤维为原料，经两性改性处理后得到，包括步骤如下：

1、将纤维素纤维加入到浓度为17wt%～18wt%的氢氧化钠溶液中，常温静置处理40～50min，经去离子水洗净、烘干后，置于浓度为0.1wt%～5wt%的氢氧化钠溶液中煮沸处理20～60min，再经去离子水洗净、烘干，得到碱性纤维素；

2、将碱性纤维素按浴比1:10～1:80加入到乙醇或丙酮中，搅拌条件下依次滴加10wt%～30wt%的氢氧化钠溶液和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，在温度为30～50℃的条件下反应2～~5h；碱性纤维素与氢氧化钠溶液的质量体积比为1:0.5～1:3，碱性纤维素和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的质量比1:1～1:3，反应结束后，用稀盐酸调节产物pH值至中性，抽滤并依次经甲醇、无水乙醇洗涤，真空干燥至恒重，得到季铵化纤维素；