[发明专利]基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及气凝胶材料技术领域，具体涉及一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用。本发明提供的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法，利用冷冻铸造成型法将无机纳米纤维、有机高分子聚合物制备成多孔气凝胶，其具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层‑栈架‑层”结构，所述“层‑栈架‑层”结构为有序三维多孔网络结构，包含维管束横、纵截面仿生结构，可提供高通透性微米通道，具有优异的仿生疏水性能和高吸油能力，能够应用于油水混合物中油品的吸附分离；同时，所述多孔气凝胶还具有优异的抗机械挤压疲劳性能，且在移除驱使变形载荷后，可以自动恢复至初始形态，能够作为弹性材料使用。

技术领域

本发明涉及气凝胶材料技术领域，具体涉及一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

经过长时间的进化，生物材料往往展现出最优化的多尺度结构和在光、电、磁、热、力等方面的诸多优异性能，如轻质高强、自清洁、智能响应、环境适应性、自愈合与自我复制功能等，这些都是人们在设计和制备新材料中所梦寐以求的优异性能。因此，模仿生物材料的结构特点和功能特性而研制开发仿生材料引起研究者们的广泛关注。但是，开发仿生材料不仅要模拟生物材料的结构特征，更要模拟其特殊功能。

在新兴纳米材料领域中，气凝胶材料作为一种基于跨尺度与仿生设计思想构造的等级多孔整体性固体物质，具有优异的可延展屈曲力学结构，这种独特的固态骨架支撑和气态介质异相填充组成的高通透性纳米多孔网络结构使其通常具有较高的孔隙度和柔弹性。但是，现行气凝胶材料的孔结构多为无序型，与有序型结构相比，无序结构组装体的吸附和抗力学挤压性能具有较大程度的不可控性。因此，迫切需要从大自然的生物体系中获取灵感，从而设计出有序型结构并且结构可控的仿生多孔气凝胶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用，本发明提供的多孔气凝胶具有“层-栈架-层”结构，具有优异的仿生疏水性能、高吸油能力和优异的抗机械挤压疲劳性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合，得到混合浆料；

将所述混合浆料置于模具中，将盛放有混合浆料的模具放在基底上，然后进行冷冻铸造成型，得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。

优选地，所述无机纳米纤维的直径为10～120nm，长度为50nm～500μm。

优选地，所述有机高分子聚合物的重均分子量为1200～500000，聚合度为10～1000000。

优选地，所述混合浆料中无机纳米纤维的浓度为5～30mg/mL，有机高分子聚合物的浓度为5～50mg/mL。

优选地，所述模具的材质包括金属、石英玻璃或有机硅橡胶；所述模具的壁厚为0.1～0.8cm。

优选地，所述基底的材料包括聚二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、氨基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚硅氧烷共聚物或聚苯乙烯；所述基底的厚度为10μm～10cm。

优选地，所述冷冻铸造成型的温度为-20～-50℃，时间为30s～0.5h。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶，具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构，其中，所述纤维栈架由无机纳米纤维形成，所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成。

优选地，所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的密度为14.21～35.58mg/cm³。