[发明专利]一种纤维素纳米晶水/气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维素纳米晶水/气凝胶及其制备方法，包括：S1.对纤维素纳米晶进行醛基化改性、羧基化改性或氨基化改性；S2.将改性后的纤维素纳米晶配置成分散液，利用自交联或者添加交联剂的方式化学交联合成纤维素纳米晶水凝胶；S3.将所获得的水凝胶经冷冻干燥或者超临界干燥法制备纤维素纳米晶气凝胶。本发明的纤维素纳米晶水/气凝胶，合成简单、成本低，原料来源广泛、廉价易得、可循环再生、绿色环保；且凝胶结构稳定可控、机械性能良好，具有分级结构且结构可控，在催化吸附、传感、能量存储转换、环境保护以及生物化工等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及水/气凝胶技术领域，具体涉及一种纤维素纳米晶水凝胶和具有分级孔结构的纤维素纳米晶气凝胶及其制备方法。

背景技术

随着石油等不可再生资源的日益减少以及由于石油基产品的大量使用造成环境污染问题日益严重，世界各国越来越重视生物可降解材料的开发与利用。其中纤维素作为地球上含量最丰富的天然高分子材料之一，它具有廉价易得、可再生、可降解、无毒、绿色无污染、良好的生物相容性等特性，被广泛地应用于纺织、建筑工程、造纸和食品等传统领域。随着科学技术的不断发展，对传统纤维素材料进行多样性的功能开发与应用逐渐成为研究的热点。近年来，纤维素纳米晶作为从纤维素原材料中提取出的新型生物质纳米粒子开始受到研究人员的广泛关注，它不仅具备天然纤维素材料的优点，还表现出一些优异的特性，如优异的机械性能、良好的热学性能、高的比表面积和长径比、高结晶度、质轻、可控的结构和形貌，且表面存在大量易于改性修饰的羟基基团等，表现出巨大的潜在应用价值。因此，基于可再生、环境友好型纤维素资源开发新型绿色高分子材料是生物质和新材料科学交叉融合的重要方向，对于减轻对石油基产品过度依赖和解决环境污染问题具有重要的战略意义。

而构筑纤维素纳米晶水凝胶或者气凝胶材料是开发纤维素纳米晶功能化应用的有效途径。近年来，水凝胶和气凝胶材料因其比表面积大、活性位点多、高孔隙率、结构稳定可控等优点被广泛的应用于生物医学、化妆品、食品科学、催化吸附和环境保护等诸多领域。目前关于纤维素纳米晶水凝胶和气凝胶的开发与应用也有诸多报道,但是通常是利用纤维素纳米晶与高分子材料复合制备水/气凝胶，如CN107033371B、CN107043441B、CN107964126A、CN108409997A、CN108579626A、CN109206666A、CN109897317A、CN109897374A、CN110498993A。然而关于纯纤维素纳米晶构筑的水/气凝胶的研究较少，刘志明等人(CN103131039A)基于纤维素纳米晶之间的氢键等物理相互作用组装制备纤维素纳米晶气凝胶，但由于物理的相互作用通常较弱，得到的凝胶交联网络结构不稳定，机械性能较低，孔隙结构不理想且容易被破坏，这在一定程度上限制了它的应用。另一方面，现有方法所制备凝胶的孔结构通常比较单一，这很大程度上限制了凝胶材料的功能性应用。而分级的孔结构可以弥补单一孔结构存在的某种程度的不足，如小孔径能提供较大的比表面积，而大孔径则为负载材料的扩散或传质提供有效路径。通过分级孔道结构间的协同作用可实现凝胶材料综合性能的提升，拓宽纤维素纳米晶凝胶的应用领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纤维素纳米晶水凝胶和具有分级孔结构的纤维素纳米晶气凝胶的制备方法，该制备方法合成简单、成本低，得到的纤维素纳米晶水/气凝胶结构稳定可控、机械性能良好，具有分级结构且结构可控。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纤维素纳米晶水凝胶的制备方法，包括：

S1.对纤维素纳米晶进行醛基化改性、羧基化改性或氨基化改性；

S2.将改性后的纤维素纳米晶配置成分散液，利用自交联或者添加交联剂的方式化学交联合成水凝胶。

进一步地，步骤S1中，所述纤维素纳米晶是由纤维素原材料经硫酸水解法、盐酸水解法、磷酸水解法、纤维素酶水解法或机械球磨法制备的。

进一步地，所述纤维素原材料为商品化微晶纤维素、制造纸张、滤纸、秸秆、棉浆和麻制品中的至少一种。