[发明专利]一种纳米纤维素气凝胶的制备方法和纳米纤维素气凝胶

说明书

本发明涉及纤维素气凝胶制备技术领域，尤其是涉及一种纳米纤维素气凝胶的制备方法和纳米纤维素气凝胶；利用TEMPO氧化的方法制备纳米纤维素悬浮液，并通过缓冲溶液控制氧化过程，经添加冻干保护剂，高压均质处理和冷冻干燥后处理后制成纳米纤维素气凝胶。本发明制备的纳米纤维素气凝胶具有强度高，比表面积大，密度低，孔隙率高及孔径分布均匀等优势，且使用的冻干保护剂廉价易得，安全无毒，因而既不会使制备的纳米纤维素气凝胶具有毒性，也不会造成环境污染，绿色环保。

技术领域

本发明涉及纤维素气凝胶制备技术领域，尤其是涉及一种纳米纤维素气凝胶的制备方法和纳米纤维素气凝胶。

背景技术

纳米纤维素气凝胶以纤维素为原料，其原料来源广泛，廉价易得，为环保的新型材料。由于纳米纤维素具有巨大的表面积，高亲水性，高聚合度，高杨氏模量，可再生及易降解等性能，且化学反应活性比纤维素高很多，在水悬浊液中可形成稳定的胶体溶液。纤维素气凝胶由于是以纤维素为原料，需将纤维素溶解后再生成凝胶，这样会破坏纤维素的结晶结构，进而会影响气凝胶的强度。

四甲基哌啶氧化物，缩写为TEMPO，是一种哌啶类的氮氧自由基，采用TEMPO氧化法可有效克服破坏纤维素的结晶结构，进而会影响气凝胶的强度的缺点，氧化后的纤维素经高压均质处理即能制得能够在水中分散均匀的纳米纤维素，且能赋予纤维表面大量电荷，提高纤维间的静电排斥力，使纤维分离，从而降低能耗，并且可减少后续高压均质处理对机器的堵塞。然而，纤维原料结构致密，TEMPO氧化预处理纤维原料时药品难以均匀渗透到纤维内部，可及性差，导致接枝反应位点不均，从而影响纳米纤维素的品质；另外，由于在TEMPO氧化纤维素反应过程中生成了葡萄糖醛酸，导致反应体系的pH值持续下降(传统方法为滴加NaOH溶液调节体系的pH值)，较难控制反应平稳进行。在后续纳米纤维素气凝胶干燥过程中，往往会受到表面张力的影响，会降低气凝胶的强度，破坏产品的品质。为了获得活性高、表面均一及性质稳定的产品，往往在冷冻干燥过程前加入冻干保护剂以降低产品的冻干损伤，制备得到的纤维素气凝胶孔隙率小，机械性能差。针对以上问题，提出一种智能化控制TEMPO法处理结合高压均质处理、添加冻干保护剂制备纳米纤维素气凝胶的一种制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米纤维素气凝胶的制备方法和纳米纤维素气凝胶，通过缓冲溶液调控氧化过程及冻干保护剂的添加以解决现有技术中存在的难以控制TEMPO氧化纤维素反应过程的平稳进行和后期冷冻干燥过程中导致凝胶物理性能下降的技术问题。

本发明提供的一种纳米纤维素气凝胶的制备方法，包括如下制备步骤：

1)悬浮浆液制备：浆料依次经过浸泡、疏解、磨浆后制备得到浆液，采用氧化工艺对浆液进行氧化处理，氧化处理过程中应用缓冲溶液调控氧化过程中所述浆液的pH值，制得悬浮浆液；

2)纳米纤维素制备：采用透析法处理步骤(1)中的悬浮浆液至中性，稀释悬浮浆液后加入冻干保护剂，采用循环高压处理，制得纳米纤维素；

3)纳米纤维素气凝胶的制备：采用冷冻干燥处理工艺对步骤(2)中的纳米纤维素进行冷冻干燥处理，制得纳米纤维素气凝胶。

优选地，所述冻干保护剂为葡萄糖、蔗糖、乳糖、甘露醇和山梨醇中的一种或多种。

优选地，所述冻干保护剂与浆料的质量比为1:0.01～0.3，所述浆料以绝干浆料计。

优选地，步骤(1)中，所述浆料为阔叶木浆、针叶木浆、棉浆和溶解浆中的一种或多种；所述缓冲溶液为Na₂CO₃/NaHCO₃或Na₂HPO₄/NaH₂PO₄中的一种。