[发明专利]超轻高弹丝素微纳米纤维气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种超轻高弹丝素微纳米纤维气凝胶及其制备方法与应用。通过使用三元溶液溶胀丝素，并经机械剪切后，首次制得具有孔隙结构的丝素微纳米纤维，使用该丝素微纳米纤维制备得到具有超轻质量及优良力学性能的丝素微纳米纤维气凝胶。本发明通过改变混合液中丝素微纳米纤维与聚乙烯醇的质量比，调控气凝胶的密度以及孔形态。通过上述方式，本发明制得的丝素微纳米纤维分布均匀且具有孔隙结构，由此制备的气凝胶网络结构良好，具有轻质、三维结构稳定、力学回弹能力优良等优势，且整体制备过程简单、易于调控、成本较低，利于产业化，在绝热和环境过滤领域具备显著的应用价值。

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，特别是涉及一种超轻高弹丝素微纳米纤维气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

气凝胶是一种超轻质的固体材料，通常是通过溶胶-凝胶工艺与特定的干燥工艺相结合而制备。由于具有超低密度、超高孔隙率、高比表面积、超低导热性等优势，气凝胶受到了科学家和工程师们的高度关注，自上个世纪30年代以来，国内外对此类材料的开发甚多，具体包括硅基气凝胶、碳基气凝胶、金属氧化物气凝胶以及一系列合成高分子气凝胶等。

尽管气凝胶在绝热和环境过滤领域具有明显的优势，但现有气凝胶仍存在合成过程复杂、不可降解、机械性能硬脆等问题，限制了其在可持续社会背景下的进一步应用。公开号为CN102786642A的专利提供了一种纳米纤维素/聚乙烯醇凝胶复合材料，通过使用植物纳米纤维进行复合，改善气凝胶的机械性能，并通过使纳米纤维与聚乙烯醇发生化学交联，形成纳米级多孔结构和连续的三维网状结构，使所得凝胶具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率。但该发明在制备前驱体的过程中涉及到大量强酸、强碱、强氧化剂等管制试剂，易造成环境污染，且整体过程繁琐、难以调控、成本较高并具有一定危险性，不利于产业化；同时，该发明使用强酸碳化棉纤维，极大地破坏了棉纤维的天然属性，对所得气凝胶的力学性能和网络结构造成影响。因此，当前仍急需一种成本低廉、性能优异、对环境友好的生物质气凝胶。

在各种生物质材料中，丝素(SF)是一种天然的高分子蛋白质纤维，被认为是最强韧的天然纤维之一。因其具备优良的生物可降解性和生物相容性，常被用作生物材料。通过再生溶解等技术，丝素很容易被加工成微球、薄膜、水凝胶、多孔支架以及纳米纤维。近年来，有学者尝试制备丝素气凝胶，通过将再生丝素与其他组分(如石墨烯)进行复合，可制备出再生丝素基气凝胶，其在绝热、吸附、储能和传感器等领域的应用具有较大潜力。然而，上述气凝胶的广泛应用仍受限于其低效、高成本和脆弱的机械性能，主要是由于丝素纤维在溶解再生过程中，大分子长链的断裂严重破坏了丝素纤维的天然层次结构，使其力学性能大幅度下降；此外，在冷冻干燥过程中，再生丝素基气凝胶在温度势能驱动下往往呈现片层结构，增加了气凝胶的密度。因此，保留丝素的天然特性，克服丝素基气凝胶的力学脆性、降低丝素基气凝胶的密度，是制备具有实用价值丝素基气凝胶的前提条件。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种超轻高弹丝素微纳米纤维气凝胶及其制备方法与应用，利用天然丝素纤维制备微纳米级丝素纤维，通过使用三元溶液溶胀丝素，消除丝素原纤间的内应力，同时溶解了丝素大分子链段中的无定型区域，后加以适当的机械剪切，分散纤维，从而获得丝素微纳米纤维，既保留了丝素原有的力学性能，又赋予其孔隙结构，有效地降低了气凝胶的密度；同时，通过将丝素微纳米纤维与聚乙烯醇溶液共混，进一步优化所得气凝胶的力学性能，对其孔结构也起到了稳定的调控作用，从而制备出具有超轻质量及优良力学性能的丝素微纳米纤维气凝胶，并能有效用于绝热和环境过滤领域。

为实现上述目的，本发明提供了一种超轻高弹丝素微纳米纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

S1，制备丝素微纳米纤维悬浮液备用，所述丝素微纳米纤维具有孔隙结构；

S2，制备聚乙烯醇溶液备用；