[发明专利]一种具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法，在明胶水溶液中同时加入纳米纤维素和石墨烯增强材料，混合分散均匀，再加入双醛类化学交联剂，通过形成缩醛和席夫碱的方式调控气凝胶结构，制备出高机械强度复合气凝胶。本发明采用一维纳米纤维素和二维氧化石墨烯提供骨架结构，并通过氢键与明胶分子作用，提高复合气凝胶机械强度。采用双醛类交联剂与纳米纤维素和明胶发生化学交联，分别生成缩醛和席夫碱，形成三维网状结构，进一步提高复合气凝胶机械强度，最大比压缩模量达2.5MPa·cm³/g。使用的原料无毒无害，生物可降解，制备工艺简单，满足经济环保的要求。所制备的复合气凝胶在隔热材料、节能材料、隔音材料、吸附剂等方面具有广泛的应用。

技术领域

本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶材料是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种纳米多孔材料，具有三维开孔骨架结构，主要通过溶胶凝胶法和特殊的干燥技术制备而成[Boday D J，Muriithi B，Stover RJ，et al.J Non-Cryst Solids，2012，358：1575-1580；Azevedo C，Cenedese P，Dubot P.J Mater Sci，2011，22：1161-1169]，其具有低密度、高比表面积、高孔隙率、强吸附性、超低热导率等多种独特的物理化学性质，可用作隔热材料、节能材料、隔音材料、吸附剂、催化剂以及催化剂载体等[Pierre A C，Pajonk G M.Chem Rev，2002，102：4243-4265；Cui S，Cheng W W，Shen X D，et al.Energy Environ Sci，2011，4(6)：2070-2074]。然而，由于一般气凝胶材料存在脆性大、强度低等缺点，限制了其实际应用，增加气凝胶基体强度成为目前研究的一个重点。随着纳米科技的进步，气凝胶力学性能改善可通过其与纳米材料的复合来实现[冯坚，高庆福，冯军宗，等.国防科技大学学报，2010，32(1)：40-44]。

明胶是一种线形多肽高分子，包含有十八种不同的氨基酸，具有部分三股螺旋结构，分子链上存在-OH、-NH₂、-COOH等活性官能团。明胶作为一种非常传统的水溶性天然高分子，具有无毒性、生物可降解和低成本等优点，并广泛的应用于食品、医药和摄影领域。明胶在高温下可溶解在水中，在低温下可凝成冻胶，是一种优良的制备气凝胶的基底材料[Emo C，Patrizia C，Femandes E G，et al.Biomacromolecules，2001，2：806-811；Elzoghby A O.J Control Release，2013，172：1075-1091]。

石墨烯可以看作是由碳原子通过杂化方式构筑而成具有单原子层厚度的二维平面结构，是第一种真正意义的二维晶体材料[Geim A K，Novoselov K S.Nat Mater，2007，6：183-191]。石墨烯单原子厚度的特征使该结构的原子能够暴露，表现出超高比表面积，这一系列优异的特性使得石墨烯在诸多领域中表现出潜在的应用前景和广阔的应用价值[Zhao J，Ren W，Cheng H-M.J Mater Chem，2012，22：20197-20202]。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法，制备的复合气凝胶具有高机械强度，最大屈服强度可达42kPa，具有良好的实际应用性能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法，在纳米纤维素和石墨烯的混合溶液中加入明胶，混合分散均匀，再加入双醛类化学交联剂，通过与纳米纤维素形成缩醛和与明胶形成席夫碱的方式调控气凝胶结构，制备出复合气凝胶。

所述的具有高机械强度的复合气凝胶的制备方法，步骤如下：

1)配置纳米纤维素和石墨烯分散液，超声分散混合均匀；