[发明专利]聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶及其制备方法，属于纳米纤维素复合材料领域。该方法是将丙烯酰胺溶液与纳米纤维素混合后，通过原子转移自由基聚合反应(ATRP)形成聚丙烯酰胺化学交联网络互穿纳米纤维素结构的凝胶，后冷冻干燥制备聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶。本发明合成的聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶呈现出具有大孔嵌套微孔的微观多层次孔结构，同时具备条件温和、易于操作的特点。

技术领域

本发明涉及一种以丙烯酰胺为单体，通过原子转移自由基聚合反应(ATRP)并复合纳米纤维素，在一定的条件下制备气凝胶的方法。本发明涉及一种聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶及其制备方法，属于纳米纤维素复合材料领域。

背景技术

气凝胶是一种由纳米级颗粒堆积而成的、具有纳米级孔洞的轻质固体材料，因此具有极高的孔隙率、比表面积，优异的化学稳定性的特点，在储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料等方面都有广泛应用。

天然纤维素具有来源广泛、可再生、易降解和绿色无污染等特性，而纳米纤维素是在纳米尺寸范围内操纵纤维素分子并进行改性设计，制备出具有优良功能性的新型纳米材料、纳米精细化工产品，由于其具有良好的生物相容性和生物可降解性，力学性能强等特点，而作为纳米增强相广泛应用于复合材料的制备。将纳米纤维素相嵌到聚丙烯酰胺凝胶网络中，形成物理交联，并制成气凝胶，可以在很大程度上增加聚丙烯酰胺气凝胶的强度，并使其在负载方面的应用更加广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶及其制备方法，以丙烯酰胺为单体，通过原子转移自由基聚合反应(ATRP)形成化学交联的聚丙烯酰胺凝胶，同时复合纳米纤维素形成物理交联，并在一定的条件下制备气凝胶的方法。

本发明还提供了一种聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶的制备方法，该方法包括：

(1)将丙烯酰胺溶于DMSO中，与CNF(纤维素纳米纤丝)均匀混合，得到复合分散液；

(2)在氮气保护的环境下加入引发剂、催化剂，混合均匀，制得复合凝胶，并经透析处理除去杂质；

(3)将复合凝胶进行冷冻干燥处理，得到聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶。

上述技术方案，步骤(1)中，CNF的原料来源包括木材、草类和棉麻类中的至少一种。

上述技术方案，步骤(1)中，CNF的制备方式为高压均质法。

上述技术方案，步骤(2)中，引发剂为α-溴代丙酸乙酯，丙烯酰胺与引发剂的比例为15～25∶1(w/w)。

上述技术方案，步骤(2)中，催化剂为溴化亚铜，丙烯酰胺与催化剂的比例为15～25∶1(w/w)。

上述技术方案，步骤(2)中，制备复合凝胶的反应温度和时间可在较宽范围内选取，优选反应温度为60～80℃，反应时间为12～24小时。

上述技术方案，步骤(3)中，冷冻干燥温度为-60℃。

制备的聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合凝胶中，纳米纤维素作为增强相嵌于聚丙烯酰胺的多孔网络结构中，与基材紧密交联；与聚丙烯酰胺凝胶相比，添加纳米纤维素后的聚丙烯酰胺复合凝胶机械强度显著增加。

本发明涉及到的聚丙烯酰胺/纳米纤维素复合气凝胶的制备方法，该气凝胶的制备方法简单，易于实施，可操作性强的特点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能将本发明局限于这些具体实施方式。下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用的试剂等均可从化学或生物试剂公司购买。