[发明专利]一种各向异性木基纳米纤维气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，选用密度为80～150mg/cm³的轻木,进行脱木素处理,脱半纤维素处理,制成木基纳米纤维水凝胶,置换水凝胶中的水分，得到纳米纤维醇溶胶,进行冷冻干燥,即得。本发明还公开了具体的制备方法。本发明制备的木基纳米纤维气凝胶密度低、孔隙率高、具有良好的压缩性能且富有弹性，是一种绿色环保型气凝胶材料，其制备成本低、可规模化生产，在隔热隔音、吸附催化、生物医药、储能等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米纤维气凝胶技术领域；更具体地，涉及一种各向异性木基纳米纤维气凝胶及其制备方法。

背景技术：

气凝胶是在保持凝胶三维网络结构不变的条件下，将其中的液体溶剂去除后形成的一种以气体为分散介质、具有三维多孔网络结构的固态材料。气凝胶材料通常具有大量纳米尺寸的孔隙结构，赋予材料高孔隙率、高比表面积、低密度以及优异的隔音隔热性能等。1931年，美国科学家Kistler通过水解水玻璃首次制备出二氧化硅(SiO₂)气凝胶。20世纪70年代以来，随着溶胶-凝胶技术的快速发展，以SiO₂为代表的无机气凝胶，以间苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛缩聚物为代表的合成聚合物气凝胶的基础研究和应用开发获得广泛关注。近年来，随着新材料技术的发展，利用石墨烯、碳纳米管等为结构单元制备气凝胶材料的研究日渐增多。然而，石墨烯、碳纳米管气凝胶制备成本高，无机气凝胶力学性能较差(易碎)，合成聚合物气凝胶生物降解性差，一定程度上限制了这些气凝胶材料的应用。

纤维素气凝胶是继无机气凝胶和合成气凝胶之后的新一代气凝胶材料。纤维素气凝胶作为一种天然高分子气凝胶材料，兼具气凝胶材料比表面积大、孔隙率高等优点，同时融入“绿色”纤维素材料自身的优势，如原材料来源广泛且可再生、可生物降解性、生物相容性、表面易化学修饰等，因此是一类极具开发价值的环境友好型新材料，在隔热隔音、生物医药、吸附催化、储能等领域具有广阔的应用前景。

纤维素气凝胶的制备过程主要包括结构单元的溶解或分散、凝胶的形成和干燥。这种“自下而上”的制备方式虽然能够获得低密度、高孔隙率、高比表面积的气凝胶材料，但是目前纤维素气凝胶的常用结构单元—纳米纤维素(CNF)主要是从植物细胞壁中分离提取，整个过程需要经历复杂的化学、机械处理，消耗大量的化学药品和能源，其制备成本较高，从而限制了纤维素气凝胶的规模化生产。此外，目前纳米纤维素气凝胶主要采用真空冷冻干燥法制备而成，制备的气凝胶材料一般呈无序的三维网络结构(各向同性)，其力学性能较差，在外力作用下易破坏，结构稳定性差。当前，有效提高纤维素气凝胶材料的力学性能仍然是一项技术难题。

发明内容：

本发明基于“自上而下”的策略，以天然可再生木材为原料，通过对木材细胞壁进行结构调控和功能化修饰，开发了一种具有各向异性结构的木基纳米纤维气凝胶材料。

本发明的技术方案为：

一种各向异性木基纳米纤维气凝胶，选用密度为80～150mg/cm³的轻木,进行脱木素处理,脱半纤维素处理,制成木基纳米纤维水凝胶,置换水凝胶中的水分，得到纳米纤维醇溶胶,进行冷冻干燥,即得。本发明选用密度80～150mg/cm³的轻木，最终可以制备不同密度和孔隙率的气凝胶材料。选用密度为80～120mg/cm³的轻木制备的气凝胶材料密度低、孔隙率高；选用密度为120～150mg/cm³的轻木制备的气凝胶材料密度较高，抗压强度更好。

一种各向异性木基纳米纤维气凝胶的制备方法，步骤如下：

(1)选用密度为80～150mg/cm³的轻木为初始原料，蒸馏水洗涤，气干备用；

(2)将木材浸没于酸性亚氯酸钠溶液中进行脱木素处理，处理时间为3～9小时；

(3)将上述处理木材浸渍于双氧水溶液中，加热处理；