[发明专利]一种多功能复合气凝胶材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种多功能复合气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：以不同种类废弃生物质为原料制备纳米纤维素；将纳米纤维素悬浮液与甲基硅烷基化试剂在室温下反应，透析后得到硅烷化修饰的纳米纤维素悬浮液；将硅烷化修饰的纳米纤维素悬浮液与含铁赤泥水溶液在超声辅助和机械搅拌下混合均匀，混合溶液通过冷冻干燥制得复合气凝胶；将复合气凝胶放置到六亚甲基二异氰酸酯和三乙胺的丙酮溶液中反应2～3天；交联反应结束，经丙酮洗涤得到纳米纤维素与赤泥复合的气凝胶材料。本发明制备出的复合气凝胶具有较好的力学性能、导磁性，高效油/有机分子吸附性，阻热阻声性，阻燃性等综合性能，实现了有机废弃物与无机废弃物的高值化转化。

技术领域

本发明属于符合材料领域，涉及一种新型的多功能复合气凝胶材料的制备方法。

背景技术

从秸秆，棉花，木材和海鞘等有机废物中的天然纤维素中分离提取出来的纳米纤维素,根据不同的的形貌与性质，主要包括两种类型：具有棒状形貌的刚性纤维素纳米晶和具有半柔性长链结构的纤维素纳米微纤。和众多无机纳米粒子相比，纳米纤维素具有其独特的优势，如已被证明的低毒性、已实现大规模量产、高结晶性和棒状形貌、高比表面积和刚性模量、可生物降解、可生物相容等。其中，纤维素纳米晶是一种高纯度的结晶纤维，结构上的高度有序性使其弹性模量高达100～150Gpa，其比模量(单位密度的弹性模量)比玻璃纤维高3～4 倍；具有半柔性长链结构的纤维素纳米微纤拥有超高的长径比，其弹性模量也高达100Gpa。许多科学家一直致力于探索纳米纤维素在复合材料和功能材料领域的应用，其应用前景已经引起了世界各领域科学家、企业和政府的广泛重视。

在各种工业副产品中，赤泥是采用拜耳法制备氧化铝生产过程中产生的大量无机废弃物，其主要成分为铝，铁，硅，钛的氧化物和氢氧化物。全球赤泥每年的产量约为9000万吨，其处理方式主要为陆地或海洋倾倒或填埋。然而，赤泥中含有的化学物质以及碱性特质，会造成严重的环境问题。虽然有科学家尝试将赤泥运用到催化材料或吸附材料中，但由于其利用率较低，处理成本高，其实际应用仍受到很大限制。

气凝胶是由凝胶通过冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥制得的多孔材料，拥有高孔隙率和超低密度的特性，常被应用于吸附材料，隔热材料，功能模板和仿生支架等应用。纳米纤维素气凝胶在拥有传统气凝胶的优良特性基础上，有较好的的机械强度，不易碎，应用更加广泛。已有报道，通过溶剂置换，超临界二氧化碳干燥的方法直接制备出以纤维素纳米晶为骨架构建的气凝胶；而由于纤维素纳米微纤高度的链缠结，可以直接通过冷冻干燥或超临界二氧化碳干燥的方法制备得到气凝胶，在密度低至0.0046g/cm³、孔隙率为99.7％时，制备得到的纤维素纳米微纤气凝胶的模量高达6Gpa。

传统的无机气凝胶易脆，不易加工，而有机纳米纤维素气凝胶机械强度低以及热力学性能不稳定。

发明内容

本发明目的在于改善纳米纤维素气凝胶的多孔微观结构的稳定性，提升物理性能；同时对废弃物进行资源化利用，制备一种能在建筑、吸附分离和储能材料等方面具有潜在的高附加值应用的新型多功能复合气凝胶材料。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

多功能复合气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)以不同种类废弃生物质为原料制备纳米纤维素；

2)将纳米纤维素悬浮液与甲基硅烷基化试剂在室温下反应，透析后得到硅烷化修饰的纳米纤维素悬浮液；

3)将硅烷化修饰的纳米纤维素悬浮液与含铁赤泥水溶液在超声辅助和机械搅拌下混合均匀，混合溶液通过冷冻干燥制得复合气凝胶；

4)将复合气凝胶放置到六亚甲基二异氰酸酯和三乙胺的丙酮溶液中反应2～3天；交联反应结束，经丙酮洗涤得到纳米纤维素与赤泥复合的气凝胶材料。

按上述方案，所述纳米纤维素包括纤维素纳米晶和纤维素纳米微纤。