[发明专利]一种聚丙烯酰胺气凝胶、制备方法及其应用

说明书

一种聚丙烯酰胺气凝胶、制备方法及其应用，包括以下步骤：配置丙烯酰胺前驱液；注入具有径向温度梯度的径向冷冻装置内形成冰晶，通过控制冰晶成核和生长以及溶质挤出而获得径向排布的冷冻样；低温紫外辐射交联，在未交联的孔壁处完全原位自由基聚合反应；冷冻干燥以及预处理过程，得到径向分级多孔结构的聚丙烯酰胺气凝胶。本发明的方法原料易得，操作简单，效率高，重复性好，是一种可规模化制备聚丙稀铣胺气凝胶的方法，同时通过精心设计的径向冷冻装置以控制冰晶的生长方法并以其为模板，从而得到特殊的微观结构，且通过低温紫外辐射交联的方法来固定这种特殊结构。

技术领域

本发明属于功能材料及流体控制技术领域，尤其涉及一种聚丙烯酰胺气凝胶、制备方法及其应用。

背景技术

如今随着社会的进步、经济的发展，水资源短缺和水污染问题越发突出，淡水资源稀缺正逐渐被视作一种全球系统性危机。与此同时，地球的储水量是很丰富的，但人类真正能够利用的淡水资源约占地球总水量的0.26％，全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。此外，工业革命以来,世界上对能源的消费需求不断增多,尤其近些年,石油价格持续攀升,全球能源消费呈现递增趋势,能源问题被越来越多的国家所关注。因此，寻求无能耗的运输水方式是目前亟待解决的最突出的难题。

自然界中，一些动植物具有非凡的运输水特性，这得益于它们在微尺度和纳米尺度上独特的表面结构，其驱动力主要来源于表面的能量梯度、拉普拉斯压力梯度、毛细作用力等，如具有周期性纺锤节结构的蜘蛛丝、仙人掌刺上的梯度沟槽结构、沙漠甲虫微纳结构的背部、猪笼草的翼状口缘区、瓶子草绒毛表面的具有特殊高低棱微纳结构等等。然而，自然界中这些自发、定向运输液体的例子很多都是靠其精妙的微观形貌实现的，通常仅能用于微小液体的定向运输，且受限于加工制备技术和成本的限制，很难实现宏观的运输水应用。

目前所存在的无能耗的液体运输体系多数基于少数材料体系，如海绵、滤纸等，液体运输速度较慢，上升高度有限；生产生活中应用广泛的水泵等，具有效率高、运输量大等优点，但又需要额外的能量消耗。

因此，研发一种制备方法简单、高效快速、可大规模生产、无能耗、自发反重力运输的长程定向运输水材料具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种聚丙烯酰胺气凝胶、制备方法及其应用。

本发明的目的一方面是通过以下技术方案实现的：

一种聚丙烯酰胺气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在分散介质中加入制备原料，在避光条件下搅拌均匀直至制备原料完全溶解，得到透明的丙烯酰胺前驱液；其中，所述制备原料包括聚合反应单体、化学交联剂和光引发剂，所述聚合反应单体为丙烯酰胺，所述化学交联剂为亚甲基双丙烯酰胺，所述光引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐；

步骤(2)、将所述步骤(1)中得到的前驱液注入具有径向温度梯度的径向冷冻装置进行径向冷冻形成冰晶，冰晶沿温度梯度方向生长，且冰晶生长过程会将溶液中的溶质挤出得到未交联的溶质孔壁，待所述前驱液完全冰冻后，得到径向冰晶结构的冷冻样，并将冷冻样脱模并置于低温环境；

步骤(3)、将所述步骤(2)中得到的冷冻样进行低温紫外辐射交联，待冷冻样交联完全后，将径向结构保留下来；

步骤(4)、将所述步骤(3)中交联完全的冷冻样进行冷冻干燥，从而获得未处理的径向分级多孔结构的聚丙烯酰胺气凝胶，所述未处理的径向分级多孔结构的聚丙烯酰胺气凝胶再通过预溶胀和再次冷冻干燥的预处理方法降低吸湿溶胀，从而得到径向分级多孔结构的聚丙烯酰胺气凝胶，即得到所述聚丙烯酰胺气凝胶。

进一步地，所述步骤(1)中的分散介质为水。

进一步地，所述步骤(2)中的冷冻装置为通过铜管垂直浸入低温乙醇浴，其中，所述低温乙醇浴温度在0℃至-120℃范围内可控。