[发明专利]一种天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶及其制备方法。所述的天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶，其特征在于，其制备方法包括：在天然纳米纤维素悬浮液中加入气相二氧化硅和有机硅烷，得到混合悬浮液，冷冻干燥，得到天然纳米纤维素基绿色复合隔热气凝胶，其中，所述的天然纳米纤维素与有机硅烷的添加质量比为3:1～1:3。本发明的隔热气凝胶制备工艺简单，能耗低，具有良好的结构强度和隔热性能，原料及制备过程生态友好，可应用于保温箱、建筑建材等领域。

技术领域

本发明属于气凝胶及其制备领域，特别涉及一种天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一类以气体代替液体为分散介质，具有连续三维纳米多孔网络结构的新型材料。气凝胶90％以上的体积都是空气，极高的孔隙率有效降低了材料的固相热传导，其孔径主要分布在介孔范围内(2-50nm)，小于气体分子的平均自由程(70nm)，有效抑制了气相热传导，因此具有极低的导热系数和优异的绝热性能。气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶和第三代纤维素气凝胶。目前用于保温隔热领域的气凝胶以硅系气凝胶为主，但存在韧性差，产品易碎呈脆性的缺点。纤维素气凝胶除具有气凝胶低密超轻，导热系数低，柔韧性好的特点外，还具有可再生、可循环、无毒、环境友好、生物相容等优势，因此在环保、隔热、生物医学材料等方面有很好的应用前景。

纤维素气凝胶主要由两种方法制备而成。一是将纤维素原料直接通过溶胶-凝胶法制得，首先用有机溶剂将纤维素溶解，再在一定条件下老化再生得到凝胶，经冷冻干燥或超临界干燥得到纤维素气凝胶；另一种方法是将纤维素通过强机械作用或TEMPO催化氧化体系获得直径达到几到几十纳米的纳米纤维素纤维，从而由纳米纤维素纤维的悬浮液直接干燥得到气凝胶。纤维素气凝胶的压缩和回弹性能较差，外力作用后孔洞会出现不可回复的塌陷，需要引入交联剂来增强其结构稳定性。有机硅烷在一定条件下可以水解为硅醇，硅羟基之间相互连接成网络结构并与纳米纤维素纤维上的羟基相互作用形成稳定的交联结构，从而提高气凝胶的机械性能，使其可以得到更广泛的应用。

气相二氧化硅粒径在几到几十纳米，且具有多孔性，无毒无味无污染，是极其重要的高科技超微细无机新材料之一。气相二氧化硅可用来作为填充物和增强相与纳米纤维素气凝胶复合，进一步提高天然纳米纤维素的隔热性能。

发明内容

本发明目的是提供一种机械性能良好，导热系数较低、绿色环保的复合隔热气凝胶及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶，其特征在于，其制备方法包括：在天然纳米纤维素悬浮液中加入气相二氧化硅和有机硅烷，得到混合悬浮液，冷冻干燥，得到天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶，其中，所述的天然纳米纤维素与有机硅烷的添加质量比为3:1～1:3。

优选地，所述的气相二氧化硅的质量分数为混合悬浮液中总固含量的5％～50％。

优选地，所述的所述有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷。

优选地，所述的气相二氧化硅为亲水性气相二氧化硅，平均粒径为7～50nm。

优选地，所述的天然纳米纤维素的平均直径为5～30nm，长度为500nm-10μm。

本发明还提供了上述的天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：将天然纳米纤维素悬浮液的pH调节至4～5，加入气相二氧化硅，搅拌，加入有机硅烷，得到混合悬浮液；其中，天然纳米纤维素与有机硅烷的质量比为3:1～1:3，气相二氧化硅的质量分数为混合悬浮液中总固含量的5％～50％；

步骤2：将步骤1中的混合悬浮液在冰箱中预冷，再用液氮冷冻后经冷冻干燥机干燥，室温中储存12-36h，得到天然纳米纤维素基复合隔热气凝胶。

优选地，所述的天然纳米纤维素悬浮液的浓度为0.3～0.8wt％。