[发明专利]各向异性的纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及各向异性的纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶及其制备方法，属于生物工程以及新材料领域。

背景技术

气凝胶又称干凝胶，是指将凝胶中的大部分溶剂脱除，使得凝胶的空间网状结构中充满气体介质的块状材料。传统气凝胶的制备原料多为硅类材料及金属氧化物。近年来，利用石墨烯、碳纳米管等为结构单元制备气凝胶的研究日渐增多。因气凝胶具有低密度、高比表面积和高孔隙率等优点，其在催化剂、超级电容器和吸附剂等材料领域中得到广泛应用。

纳米纤维素作为一种具有高强度、韧性好、比表面积大的可再生资源，越来越受到人们重视。利用纳米纤维素增强聚合物制备复合材料，在将纳米纤维素作为增强相引入到聚合物中后，制得的复合材料在力学性能、热性能等方面都比原聚合物有了一定的提高。利用机械分离等方法制备的纳米纤维素具有非常高的长径比，且其内部含有结晶区及无定形区，即可保证其具有较高的强度，又使其十分柔韧，为此以纳米纤维素为结构单元，排出其水悬浊液中的水分，可获得轻质、柔韧的气凝胶。由于纳米纤维素气凝胶的网状多孔结构，使其很容易通过浸蘸、沉积等方法与其它组分复合，制备功能性结构材料。目前纳米纤维素气凝胶主要采用真空冷冻干燥法制备而成，这种气凝胶显现出泡沫状的形态结构，气孔大小均匀而且孔径大小相等，具有各向同性的力学性能，同时存在脆性大，刚度差的缺点，而且作为一种生物质原料，当温度到达350℃左右，纳米纤维素气凝胶就发生了明显的热降解，因此其热稳定性不高。这严重限制了纳米纤维素气凝胶的使用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有蜂窝状结构的各向异性的纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种各向异性的纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶，由纳米纤维素悬混液与蒙脱土悬混液混合后冰冻铸造而成。

优选的，所述纳米纤维素悬混液的质量浓度为0.3～1％。

优选的，所述蒙脱土悬混液的质量浓度为0.1～2％。

优选的，纳米纤维素与蒙脱土的质量比分别为0.5:1～1:1。

本发明还公开了一种各向异性的纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶的制备方法，其步骤包括：

(1)分别配制纳米纤维素悬浮液与蒙脱土悬浮液；

(2)将蒙脱土悬浮液与纳米纤维素悬浮液混合成纳米纤维素/蒙脱土悬浮液并分散；

(3)将纳米纤维素/蒙脱土悬浮液冰冻铸造成纳米纤维素/蒙脱土复合气凝胶。

优选的，步骤(1)中纳米纤维素悬浮液的配制方法为：取定量的纳米纤维素用去离子水配置成浓度为0.5～1.5％纳米纤维素悬浮液，然后在室温下通过磁力搅拌器搅拌均匀，最后超声分散，然后离心，获得到质量分数为0.3～1％的纳米纤维素悬浮液。

优选的，步骤(1)中蒙脱土悬浮液的配制方法为：取定量的蒙脱土放入烘箱中干燥，然后用去离子水配置成浓度为0.5～4％蒙脱土悬浮液；通过磁力搅拌器在室温下搅拌超过140小时，再超声处理，然后在离心，得到质量分数为0.1～2％的蒙脱土悬浮液。

优选的，步骤(2)中蒙脱土悬浮液与纳米纤维素悬浮液混合比例根据纳米纤维素与蒙脱土的质量比而定，纳米纤维素与蒙脱土的质量比为0.5:1～1:1。

优选的，步骤(2)中纳米纤维素/蒙脱土悬浮液的分散方法为：将纳米纤维素/蒙脱土混合液在室温下通过磁力搅拌器搅拌12～24h，然后用剪切混合器在3500～4500rpm的转速下混合15～30分钟，再超声处理20～30分钟，最后离心取上清液。蒙脱土纳米黏土具有较强的吸水性，在水中容易团聚，分散不均匀，本发明利用纳米纤维素具有分散纳米微粒的功能，将纳米纤维素悬浮液与蒙脱土悬浮液混合后通过磁力器搅拌，然后通过超声+离心的方法使得到稳定分散的悬浮液中。

优选的，步骤(3)中冰冻铸造法为：

A、纳米纤维素/蒙脱土悬浮液通过旋转蒸发仪处理后得到浓缩8～12倍的悬浮液，然后立即经过剪切混合器在3500rpm的转速下处理3～5分钟；

B、将浓缩悬浮液倒入耐低温树脂模具中，并用铜质底板将其密封；

C、将模具放在冻铸系统中的铜质指型冷冻器上，开始快速冷冻，当冷冻温度达到2～10℃时，将冷冻速率设置为5～10℃/min，匀速冷冻到-140～-160℃，然后保持恒温，直到浓缩悬浮液完全凝固；

D、待浓缩悬浮液完全凝固后，将凝固后的纳米纤维素/蒙脱土从聚四氟乙烯模具中脱模，然后冻干。