[发明专利]一种冷冻干燥制备纤维素气凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种冷冻干燥制备纤维素气凝胶的方法，包括以下步骤：步骤(1)以微晶纤维素、氯化锂和DMAc为原料制备纤维素凝胶D，再浸入去离子水中置换，得到纤维素水凝胶E，经过纯净处理后得到纤维素水凝胶F；步骤(2)将纤维素水凝胶F降温至2～4℃后静置，再将纤维素水凝胶从2～4℃缓慢降温至‑6℃，得纤维素过冷水凝胶G；步骤(3)利用超声波装置，在距离纤维素过冷水凝胶G周围施加瞬时超声波扰动，得到纤维素冰凝胶H，经真空冷冻干燥后得到纤维素气凝胶。本发明方法在纤维素水凝胶的预冷冻阶段，可保持纤维素水凝胶的三维网络结构不受冰晶生长的影响而遭到破坏，解决了冷冻干燥纤维素水凝胶导致的纤维素大孔泡沫的问题。

技术领域

本发明属于纤维素气凝胶制备技术领域，尤其涉及一种冷冻干燥制备纤维素气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是由胶体粒子或者高分子聚合物聚集成为多孔网络结构，并在其孔隙中充满气体分散介质的高孔隙率高分散的固态材料。纤维素气凝胶是自继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的第三代气凝胶，纤维素气凝胶兼具有纤维素材料和气凝胶材料的特性，是纤维素材料研究与应用领域的一个热点。

纤维素气凝胶是以纤维素高分子为网络骨架的气凝胶材料。纤维素来源广泛，在自然界中储量丰富，具有可降解，可再生以及良好的生物相容性。结合气凝胶材料比表面积大、孔隙率高、通孔率高等特性，纤维素气凝胶材料有着应用的广泛，主要包括吸附材料、催化剂及其载体、纳米颗粒和纳米多孔材料的制备模板、药物缓释等方面。

利用超临界二氧化碳干燥来制备纤维素气凝胶需要在较高压力(>73.5atm)下进行，且超临界二氧化碳对一般金属材料都具有严重的腐蚀作用，整个制备过程，工艺复杂，对设备条件要求苛刻，因而在实际生产应用中会消耗极高的经济成本，并需要极复杂的技术支持，这成为纤维素气凝胶应用的显著阻碍。申请号为CN201610686477.9、申请号为CN201610369040.2等的专利制备纤维素气凝胶时所使用的干燥方法即为超临界二氧化碳干燥。

(Duchemin B J C,Staiger M P,Tucker N,et al.Aerocellulose based onall‐cellulose composites[J].Journal of applied polymer science,2010,115(1):216-221；Li R,Du J,Zheng Y,et al.Ultra-lightweight cellulose foam material:preparation and properties[J].Cellulose,2017,24(3):1417-1426；Jiménez-SaelicesC,Seantier B,Cathala B,et al.Spray freeze-dried nanofibrillated celluloseaerogels with thermal superinsulating properties[J].Carbohydrate Polymers,2017,157:105-113；Microporous cationic nanofibrillar cellulose aerogel aspromising adsorbent of acid dyes)等文献中，所涉及冷冻干燥制备的纤维素气凝胶，在尺度上只达到数十到数百微米的孔洞结构，而并没有在其所得材料中良好保存纤维素凝胶原有的纳米网络结构。

发明内容

针对冷冻干燥制备纤维素气凝胶的技术中，预冻结段难以保存纤维素凝胶原有三维网络结果，造成纤维素的聚集，和干燥后得到纤维素大孔泡沫的不良结果，本发明提供一种冷冻干燥制备纤维素气凝胶的方法。

本发明通过冷预冻处理纤维素水凝胶的方法，实现纤维素凝胶内部过冷水的形成。在超声波扰动作用下实现纤维素水凝胶内部过冷水的迅速结晶，并进行真空冷冻干燥的方式，得到具有纳米三维网络结构的纤维素气凝胶，本发明方法能够利用冷冻干燥的方式制备得到具有纳米三维网络结构的纤维素气凝胶。