[发明专利]一种纳米纤维气凝胶弹性体及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种纳米纤维气凝胶弹性体及其制备方法与应用，将有机硅氧烷在酸性水溶液中水解，与纳米纤维分散液混合经历溶胶‑凝胶化过程，通过冷冻及冷冻干燥得到纳米纤维气凝胶弹性体。本发明弹性体具有优异的回弹性能、低热导率，孔隙率高。亲水部分输运水能力好，疏水部分可有效保温。结合两者优点，该气凝胶弹性体可用于保温材料，油水分离材料及海水淡化材料。

技术领域

本发明属于功能性纳米材料领域，特别涉及一种纳米纤维气凝胶弹性体及其制备方法与应用。

背景技术

气凝胶是一种具有连续三维纳米多孔结构的新型材料，具有超轻、低密度、高比表面积、低热传导系数等特点。传统的无机气凝胶代表为二氧化硅气凝胶，隔热性能优秀，但是其力学性能(强度差，受力易破碎)限制了适用范围。经过发展，第二代聚合物气凝胶及第三代纳米纤维气凝胶的出现改善了气凝胶材料的力学性能，其中以第三代纳米纤维气凝胶性能尤为突出，已成为国内外研究者关注的热点。纳米纤维通过相互缠结，经过合适的结构设计可以构筑成气凝胶的骨架。然而，纯纳米纤维气凝胶骨架一般不具有柔韧性，需在添加改性材料(如聚合物交联材料或无机片层材料)后可显著增强其力学性能。

气凝胶材料的力学性能解决后，在各种应用场合需要其具有特定的浸润性，如吸油材料需要气凝胶具有疏水亲油的特性，而在分离油水混合物需要气凝胶同时具有亲水和疏水性。未经浸润性改性的纳米纤维气凝胶一般表现出亲水性，在后处理阶段通过浸渍法、化学气相沉积法或表面喷涂法赋予气凝胶疏水性。考虑到工业生产过程每多一步成本就会提高的实际情况，通过一种简单集成的方法设计制备一种力学性能优秀同时可调控亲疏水性的纳米纤维气凝胶材料对推广气凝胶材料的实际应用至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自组装诱导亲疏水可调纳米纤维气凝胶弹性体及其制备方法与应用，以克服现有纳米纤维气凝胶回弹性及浸润性无法同时调控、生产成本高等缺陷。

本发明的一种纳米纤维气凝胶弹性体，所述纳米纤维气凝胶弹性体以含有机硅氧烷、酸、纳米纤维的原料，通过水解、溶胶-凝胶化反应、冷冻及冷冻干燥获得；其中所述有机硅氧烷为侧链含有不饱和基团的有机硅氧烷和/或饱和侧链的有机硅氧烷。

进一步地，按重量分数，原料组分包括：60-80份去离子水，1-5份硅氧烷，5-10份叔丁醇，2-5份醋酸，5-20份纳米纤维。

优选地，所述纳米纤维气凝胶弹性体具有取向纤维网络结构，有机硅氧烷质量分数为10-50％，纳米纤维质量分数为50-90％。

优选地，所述纳米纤维为高结晶度纳米长纤维(超细玻璃纤维、细菌纤维素、聚酰亚胺纳米纤维、无机二氧化硅纳米纤维)直径为2-100nm。

本发明的一种纳米纤维气凝胶弹性体的制备方法，包括：

(1)将有机硅氧烷、含酸溶液混合，水解，得到硅溶胶；其中有机硅氧烷为侧链含有不饱和基团的有机硅氧烷和/或饱和侧链的有机硅氧烷；

(2)将硅溶胶、纳米纤维分散液混合，搅拌时长60-120分钟，得到混合分散液，放到模具中，经过冷冻、冷冻干燥，得到亲疏水性不同的纳米纤维气凝胶，加热促缩聚处理，得到亲疏水性不同的纳米纤维气凝胶弹性体。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中饱和侧链的有机硅氧烷为：将侧链含有不饱和基团的有机硅氧烷为前驱体、引发剂、助引发剂，聚合反应，得到饱和侧链的有机硅氧烷。