[发明专利]一种具有取向孔结构的纤维素气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开一种具有取向孔结构的纤维素气凝胶的制备方法，通过阶梯式降温实现对纤维素的精确溶胀、溶解得到纤维素溶胶，控制溶胶的物理交联点形成纤维素凝胶，并采用冷冻干燥的方法对纤维素凝胶进行干燥得到具有取向孔结构的纤维素气凝胶材料。本发明可以实现纤维素气凝胶的孔结构设计和制备。取向结构的孔洞能增强纤维素气凝胶材料的定向传质性能，同时也可增强纤维素气凝胶的隔绝性能，大大拓展其应用范围。

技术领域

本发明涉及一种具有取向孔结构的纤维素气凝胶的制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

纤维素是自然界中储量最大、分布最广、可再生且可生物降解的天然高分子。与合成高分子相比，具有无毒、无污染、易于改性、生物相容性好等特点。但由于分子内和分子间存在大量的氢键，造成天然纤维素不熔融，也很难溶于常规溶剂，加工困难。而纤维素材料的传统制备方法会产生大量废水废气，严重污染环境，这些问题极大地限制了纤维素材料的开发和应用。近年来，随着新型高效纤维素非衍生化溶剂的开发，纤维素材料的研究与应用成为化学和材料科学的前沿领域，纤维素基气凝胶材料就是其中的一个热点。

气凝胶是在保持凝胶三维网络结构不变的条件下，将其中的液体溶剂除去而形成的一种高度多孔材料。作为继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的第三代气凝胶，纤维素基气凝胶材料兼具绿色可再生的纤维素材料和多孔气凝胶材料两者的优点，成为纤维素材料研究与应用中的一个热点。随着研究的深入，近年来研究者侧重于纤维素基气凝胶力学性能的提高和功能性的开发，从而极大地拓宽了材料在生物医学、催化剂负载和环境保护等诸多领域的潜在应用。

早期的纤维素基气凝胶的制备往往采用溶胶-凝胶法制备，将溶解于有机溶剂中的纤维素衍生物进行化学交联形成凝胶。溶胶-凝胶法中的化学反应是影响气凝胶网络结构形成的关键，该方法的缺点是过程复杂、气凝胶的结构难以调控。

相比之下，纤维素分子链上存在大量羟基，可通过形成分子内和分子间的氢键进行凝胶化，从而得到物理交联的三维网络。物理凝胶的形成途径主要有两种：一种是先使用非衍生化溶剂破坏天然纤维素中的氢键，直接溶解纤维素，再借助凝固浴使纤维素再生形成凝胶；另一种是将从天然纤维素中提取的纤维素纳米纤维（CNF），包括纤维素纳米长纤维或纤维素纳米晶须，直接分散在水中自发形成凝胶。第一种可以直接以纤维素为原料，对原料要求不高，而第二种则是需要对纤维素进行预先处理，制得纳米纤维素作为原料。可以看出纤维素气凝胶的制备中物理交联较化学交联具有明显的环境和成本优势，是目前发展的趋势。

现有技术制得的纤维素气凝胶中的孔结构均为无序状态，此种无序孔结构气凝胶材料无法实现定向的传质、传热等功能，同时由于其传输途径长，降低材料的应用性能。具有取向孔结构的气凝胶不仅具有无序孔结构的轻质、吸附、阻隔等性能，还具有定向传质、传热等高传输性能，及更高的阻隔性能等。例如电解质在无序孔结构气凝胶材料中的传输效率就会大大降低，在具有取向孔结构的气凝胶材料中的传输效率就会大大提高。

发明内容

为制备出具有取向孔结构的纤维素气凝胶材料，提高纤维素气凝胶材料的综合性能，扩展其应用范围，本发明提供一种具有取向孔结构的纤维素气凝胶的制备方法，采用溶解物理交联法，通过阶梯降温搅拌溶解结合超声分散溶解的手段在离子液体中对微晶纤维素进行精确溶胀和溶解，控制溶胶的物理交联点，采用冷冻干燥制备出具有取向孔结构的纤维素气凝胶材料。

本发明通过以下技术方案实现：

一种具有取向孔结构的纤维素气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

A、溶液的配制：称量一定质量的氯化锂（LiCl）在室温下溶于二甲基乙酰胺（DMAC），密闭搅拌加热，搅拌速率为10~1200rpm，加热速率为1~20℃/min，加热至90-99℃保温1~60min，然后再以1~20℃/min的速率加热到100-118℃保温1~60min待用；