[发明专利]一种功能性纳米纤维素复合气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种功能性纳米纤维素复合气凝胶的制备方法，属于高分子化学化工和纳米材料交叉技术领域，在水溶液中首先通过纳米纤维素与阳离子聚合物之间静电作用凝胶化形成水凝胶，在凝胶化过程中负载功能性添加物，得到负载功能性添加物的水凝胶加入化学交联剂溶液中进行化学增强交联，最后干燥后得到纳米纤维素复合气凝胶。本专利方法制备工艺简单，采用的制备原料环保经济，所制备得到的功能性纳米纤维素复合气凝胶具有纳米介孔的三维网状结构，具有较高的孔隙率，结构稳定，力学性能优异。

技术领域

本发明公开了一种功能性纳米纤维素复合气凝胶的制备方法，尤其涉及的是一种通过物理静电作用凝胶化并结合化学交联增强的气凝胶制备方法，属于高分子、化学化工和纳米材料交叉技术领域。

背景技术

气凝胶是一种轻质、多孔、网状的固体材料，一般通过一个干燥过程使得湿凝胶中的液体被气体置换得到(Du A,Zhou B,Zhang Z H,et al.Materials,2013,6:941-968.)。气凝胶材料具有高比表面积、高孔隙率、低密度、高吸附性等特性。纳米纤维素是一种纤维素聚集阵，通过分离微纤丝、提取纤维素结晶而形成，直径小于100nm，长度从几百纳米到微米级别。纳米纤维素拥有高纯度、高结晶度、高聚合度、表面积大的优点，还拥有良好的热学性能和力学性能(Moon RJ,Martini A,Nairn J,et al.Chemical Society Reviews,2011,40:3941-3944)。纳米纤维素气凝胶是以纳米纤维素为原料制备的纳米多孔材料，纳米纤维素气凝胶不仅具备了纤维素气凝胶的性能，还结合了纳米纤维素的特性，如高孔隙率、高比表面积、低密度、高柔韧性和耐压性、模板特性、生物相容性、优异的隔音隔热性能、低介电常数等特点，在催化剂负载、医用生物材料、吸音隔热材料、过滤材料和模板材料等方面具有巨大的潜在应用价值(Wang M,Anoshkin I V,Nasibulin A G,et al.AdvancedMaterials,2013,25(17):2428-2432；Jin H,Kettunen M,Laiho A,et al.Langmuir,2011,27(5):1930-1934；M,Vapaavuori J,Silvennoinen R,et al.Soft Matter,2008,4(12):2492-2499)

由于纳米纤维素长径比较大且表面有大量的羟基和羧基，已有的报道多通过氢键结合和机械缠绕的方式在纳米纤维素水溶液中先形成三维网络结构水凝胶，再用气体置换纳米纤维素水凝胶中的溶液可得到纳米纤维素气凝胶(马书荣,米勤勇,余坚,等.化学进展,2014,26:796-809)。纳米纤维素气凝胶的制备过程中，纳米纤维素形态、浓度、冷冻干燥方式等都对气凝胶的机械性能、孔隙率、孔径、密度和比表面积具有显著影响。Chen将分别由超声波处理、HCl水解、2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(TEMPO)氧化、以及H₂SO₄水解得到的纳米纤维素冷冻干燥，利用纳米纤维素之间的氢键交联作用制备得到纳米纤维素气凝胶，研究发现当纳米纤维素浓度小于0.2％(wt)时，冷冻干燥后得到的气凝胶可保留纤维形貌(Chen W,Li Q,Wang Y,et al.ChemSusChem,2014,7(1):154-161)。Jiang等通过循环冷冻方法，利用氢键作用不断强化TEMPO氧化纳米纤维素之间的结合交联，得到了一系列具有形状回复性能的超吸水气凝胶材料(Jiang F,Hsieh Y L.Journal of MaterialsChemistry A,2014,2:6337-6342)。Donius分别以快速均匀冷冻以及恒速率冷冻的方式控制冰晶的增长方式，得到了各向同性与各向异性的气凝胶(Donius AE,Liu A,BerglundLA,et al.Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2014,37:88-99.)。