[发明专利]一种生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶，首先将生物质衍生碳分散液与聚酰胺酸前驱体溶液混合均匀，冷冻干燥，制得生物质衍生碳/聚酰胺酸复合气凝胶；然后在保护气氛条件下，对所得生物质衍生碳/聚酰胺酸复合气凝胶进行热亚胺化处理得到。本发明通过将预处理所得生物质衍生碳引入聚酰亚胺气凝胶制备体系中，可大大提高聚酰亚胺气凝胶的机械强度和疏水性能；同时可促进得到多孔互连的三维网状结构，为吸附油类污染物提供了大量的空间，并可提升所得复合气凝胶的压缩回复性能，为循环吸附油类物质奠定了良好的基础；且涉及的制备方法较简单、操作方便，成本较低，适合推广应用。

技术领域

本发明属于油水分离材料及其制备技术领域，具体涉及一种生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

漏油事故的频发和工业含油废水的肆意排放，导致水污染问题日益严重，已经引起社会的广泛关注。含油废水会对生态环境和人类造成严重的危害。油污难溶于水，极易在水面形成油膜，阻止氧气进入水中；此外，油污在一定条件下会发生氧化反应，消耗水体中溶解氧的含量，对水体内的动植物的生存造成严重的威胁。油污中的有害物质通过海洋生物进入食物链中，最终会危害到人类的健康。因此，研究和开发高效的油水分离材料已成为当下亟待研究的难点和热点。

目前常见的吸油材料主要分为三类：凝胶型吸油材料(聚烯烃类、聚丙烯酸酯类、聚氨酯类等)、多孔型吸油材料(黏土、棉及其改性材料等)、复合型吸油材料(改性橡胶、改性泡沫等)；主要利用材料自身含有的非极性基团或多孔结构达到吸油的目的。气凝胶作为一种蓬松多孔海绵体材料具有良好弹性和压缩性能，其空间密度低，吸附容量大，并可多次重复吸附，在该领域有着广泛的应用前景。

聚酰亚胺是一种分子主链含有酰亚胺环的高分子聚合物材料。聚酰亚胺气凝胶由相互连接的聚酰亚胺链组成，具有三维网络结构和高孔隙率，是可用于油水分离领域的有机气凝胶之一。现有聚酰亚胺气凝胶由于自身的强度较低、疏水性能较差等问题，限制了其广范的应用。对于聚合物气凝胶，引入交联结构和增强组份是提高骨架强度的常用方法；如：通过引入一维碳纳米管或二维石墨烯等纳米材料，可改善聚酰亚胺的机械性能。然而，由于碳纳米管及石墨烯的结构特性，其自身容易聚集，导致气凝胶体积缩小，密度增加，从而导致吸附量受影响。此外，碳纳米管及石墨烯通常需经过多步条件较为苛刻的反应而制备，极大增加了制备成本和难度，从而限制了聚酰亚胺气凝胶的广泛使用。另一方面，应用于吸油的气凝胶，需要具有优异的疏水性，以避免水体对气凝胶的腐蚀。目前所报道的基于聚酰亚胺的气凝胶存在与水的接触角偏低，不利于实际应用等问题。因而，开发一种易制备、低成本、密度低、吸附性好的聚酰亚胺气凝胶，对推进其实际应用具有重大现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶，有效克服现有聚酰亚胺气凝胶强度低以及疏水性能较差等问题，可有效兼顾良好的机械强度(超弹性等)和超疏水性能，适用于油水分离等领域；且涉及的制备方法较简单、反应条件较温，适合推广应用。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶的制备方法，包括如下步骤：

1)将生物质衍生碳分散液与聚酰胺酸前驱体溶液混合均匀，依次进行预冷冻(冷冻得块体即可)和冷冻干燥，得生物质衍生碳/聚酰胺酸复合气凝胶；

2)在保护气氛条件下，对所得生物质衍生碳/聚酰胺酸复合气凝胶进行热亚胺化处理，制得所述生物质衍生碳/聚酰亚胺超疏水复合气凝胶。

上述方案中，所述生物质衍生碳分散液的浓度为0.25～1mg/mL，聚酰胺酸前驱体溶液的固含量为2～5％，生物质衍生碳分散液与聚酰胺酸前驱体溶液的体积比为1:(1～3)；二者混合步骤采用磁力搅拌手段，混合时间为1～5h。

上述方案中，所述冷冻干燥温度为-40～-60℃，时间为12～36h。