[发明专利]细菌纤维素-二氧化硅P-COF气凝胶及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了细菌纤维素‑二氧化硅P‑COF气凝胶及其制备方法、应用。产品通过溶胶‑凝胶转变、溶剂交换、干燥三步方法制得，细菌纤维素作为基体，通过二次塑型显著增强了复合气凝胶的力学性能。磷(P)作为一种阻燃元素，可以在气相或凝聚相发挥作用，提高聚合物的耐火性，负载到COF上制得P‑COF，使其具有阻燃效果，通过COF材料的交联作用提高了产品的机械强度和稳定性，具有优异的隔热性能。COF材料除了发挥交联作用，起到支撑作用之外，其本身具有多孔结构可以起吸附作用，因此可以提高对有毒物质或者污染物的去除率。

技术领域

本发明属于隔热材料技术领域，具体涉及细菌纤维素-二氧化硅 P-COF气凝胶及其制备方法、应用。

背景技术

随着人类不断消耗地球资源，世界各国对提高能源利用率的意识逐渐增强。而建筑在社会能源消耗总量占比较高，发达国家的建筑能耗占社会一次能源高达总量的30-40％。因此，提高建筑物能源利用率具有极其重要的意义。为提高建筑物的结构效率，许多国家采用新的建筑标准，以改善现有的建筑物的散热保温性能。门窗是建筑物中保温隔热最弱的部位，是影响建筑节能的主要因素之一。因此，增强门窗的保温隔热性能以减少能耗，具有至关重要的意义。

氧化硅气凝胶是一种由纳米量级粒子聚集并以空气为分散介质的新型非晶固态材料，气凝胶经特殊生产工艺去除原有骨架中的溶剂，从而具有高的气孔率、半透明、低密度、低折射率、超低导热系数、A级不燃和吸湿率低等优点，在航空航天、工业及建筑领域的节能减碳等方面具有广泛的潜力。将气凝胶材料应用于门窗的保温隔热已经成新的发展趋势。然而，氧化硅气凝胶力学性能较差、高脆性、成本高，导致其形态的单一性，纯的二氧化硅气凝胶难以单独使用。为了满足实际使用需求，需要对二氧化硅气凝胶进行增强、修饰或者改性。

纤维是提高二氧化硅气凝胶力学性能时常用的一种增强体，其强度高、复合工艺简单。通常可在气凝胶制备前期被掺入在硅溶胶中，通过超声或者搅拌使其在硅溶胶中均匀分散，或是用硅溶胶浸渍纤维预制件，然后经过凝胶、老化、干燥后得到由纤维增强的气凝胶复合材料。细菌纤维素(Bacterial cellulose，简称BC)是由微生物(某些无毒、环保、廉价且容易获得的细菌)发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物。因其由细菌合成而命名为细菌纤维素。它由独特的丝状纤维组成，纤维直径在0.01～0.10μm之间，比植物纤维素(10μm)小2～3个数量级，每一丝状纤维由一定数量的超微纤维组成网状结构，与植物纤维素的主要差别在于其不含有半纤维素、木质素等。具有超轻、灵活、耐火等优点，是大规模制备气凝胶的理想前驱体。作为一种新型纳米材料，细菌纤维素已应用于纺织、医用材料、食品等各个领域，现已成为国际的研究热点。

金属有机骨架(MOFs)是一种通过金属离子和有机配体自组装产生的具有永久空隙的开放晶体框架，由于其具有大的比表面积，规则的孔隙结构和表面化学性质可调等特点，被广泛应用于气体储存、催化、分离和药物传送等领域。COFs是继无机多孔材料和MOFs后新发展起来的一类新材料，是一类具有周期性结构的晶态多孔功能材料，由硼、碳、氮等轻质有机元素以共价键稳固连接构成，因其具有低密度，高孔隙率，高比表面积，单体多样性，易于分子层面功能化设计等优点，近年来引起广泛关注，在储气储能、半导体催化、分子筛分/捕获、新型电极材料、传导传感、生物医疗等领域极具潜力。由于COFs也具有微孔和混合结构，它们在理论上同MOFs也是有前途的绝热材料。相较MOFs，它是由具有特殊基团的有机前驱体靠共价键连接而形成的多孔性材料，晶型比较好，孔道单一，孔径分布均匀，不溶于水和大多数有机溶剂(如正己院、甲醇、丙酮、四氢呋喃、 DMF、氘代氯仿、二甲亚砜等)，且在高温下也比较稳定，从而克服了无机多孔材料组成单一、孔道分布不均及晶型不好等缺陷，同时也克服了MOF材料的多孔结构在水里易塌陷的缺点。近期研究表明 MOFs制备的高分子复合材料再燃烧过程中具有显著的抑热、抑烟、吸收有毒物质(烟、CO等)等效果。材料具有很高的热稳定性而被应用于高分子材料的阻燃研究。磷(P)作为一种阻燃元素，可以在气相和/或凝聚相发挥作用，提高聚合物的耐火性。在MOF上负载磷可以有隔热阻燃的功效。由此推论在COFs上负载磷同样有隔热阻燃的功效。