CN106432783A - 一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法 - Google Patents

一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法，所述多巴胺的用量占气凝胶质量的5‑20wt％，有机硅与纤维素的质量比为0.5:1‑3:1；其中，纤维素为纤维素微米线或者纤维素纳米线。制备方法，包括：将有机硅加到纤维素微米/纳米悬浮液中，搅拌，然后加入多巴胺，调节pH至8～9，搅拌，得到悬浮液；将悬浮液置于液氮中冷冻，得到冰冻的凝胶，冷冻干燥，烘焙，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶。本发明的阻燃隔热气凝胶除了具备优异阻燃性能和热隔绝性能之外，还具有良好的机械性能；符合生态环保的要求，并且在建筑、管道的隔热材料和隔热服填充物等领域具备良好的应用前景。

Description

一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于气凝胶及其制备领域，特别涉及一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法。
背景技术
气凝胶是凝胶经过超临界干燥法或冷冻干燥法将其内部的液体用气体来代替而生成的一种三维多孔的材料。该材料具有密度小、比表面积大和导热系数小等优点，被广泛应用于隔热材料、活性物载体以及感应器等。传统的气凝胶是以硅为代表的无机气凝胶以及以间苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛为代表的有机气凝胶已经被人们广泛的研究。纤维素气凝胶作为新生的第三代材料，在具备传统无机和有机气凝胶的同时融入了纤维素的优异的性能，例如来源丰富、可降解和生物相容性，在未来的隔热材料和生物医用中有巨大的潜力，且纤维素气凝胶经过热解可用来制备碳气凝胶用于环境保护和电化学能源储存等领域。
利用纤维素为原料来制备气凝胶的研究，近年来受到研究者们的广泛关注，主要通过两个途径来实现纤维素气凝胶的制备：一是纤维素经过氢氧化钠/尿素溶液在低温条件下溶解之后，再经弱酸解再生生成纤维素水凝胶最后冷冻干燥得到气凝胶；二是纤维素纤维经过机械剥离或者通过TEMPO/NaBr/NaClO再机械剥离转变成纤维素纳米线悬浮液，再经过冷冻和冷冻干燥得到纤维素气凝胶。但是纤维素气凝胶的耐火性能和机械性能较差。硅烷经过水解生成硅羟基与纤维素表面的羟基通过氢键和化学键相互作用来增强纤维素纤维的刚度。因此可利用硅烷来增强纤维素纤维的机械性能。同时硅是阻燃整理中常用的一种环境友好型的阻燃剂，可以通过引入硅烷来提高纤维素气凝胶的热稳定性。
多巴胺由于其生物相容、无毒和强的粘附性能得到广泛的关注。最近研究人员发现多巴胺的儿茶酚具有很强的自由基捕捉能力。所以可运用多巴胺的自由基捕捉能力和硅烷的催化纤维素碳化的性能相结合，来提高纤维素气凝胶的耐火性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶及其制备方法，该方法用自然界广泛存在的纤维素为原料，利用有机硅和多巴胺改性纤维素来提高其机械性能和阻燃性能；得到的气凝胶具有良好机械性能、低热导率和优异的阻燃性能，在建筑、管道的隔热材料和隔热服填充物等领域具备良好的应用前景。
本发明的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶，所述多巴胺的用量占气凝胶质量的5-20wt％，有机硅与纤维素的质量比为0.5:1-3:1；其中，纤维素为纤维素微米线或者纤维素纳米线。
所述有机硅为γ―氨丙基三乙氧基硅烷KH-550、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷KH-560和乙烯基三甲氧基硅烷KH-171中的至少一种。
所述纤维素为木浆纤维素、竹纤维素、棉花纤维素、羧基改性纤维素中的一种。
所述纤维素微米线的直径为30-100nm，长度为0.5-1mm；纤维素纳米线的直径为1-100nm，长度为100到500纳米。
本发明的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，包括：
(1)将有机硅加入到纤维素微米/纳米悬浮液中，搅拌，然后加入多巴胺，调节pH至8～9，搅拌，得到悬浮液；其中，有机硅与纤维素的质量比为0.5:1-3:1；
(2)将步骤(1)中的悬浮液置于液氮中冷冻，得到冰冻的凝胶，冷冻干燥，烘焙，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶；其中，多巴胺的用量占气凝胶质量的5-20wt％。
所述步骤(1)中纤维素微米/纳米悬浮液的固含量为0.7-1.6wt％。
所述步骤(1)中搅拌的时间为20～30h；优选24h。
所述步骤(1)中调节pH用三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸Tris-HCl缓冲液调节。
所述步骤(1)中pH为8.5。
所述步骤(2)中液氮中冷冻的时间为3～10min；冷冻干燥的时间为24～48h。
所述步骤(2)中烘焙的温度为80～120℃，烘焙的时间为20～35min；优选30min。
有益效果
本发明是利用有机硅的自身水解聚合和多巴胺的自身氧化聚合在相同的pH条件下，且二者聚合之后的产物能与纤维素表面的羟基通过氢键或者化学键相互作用与纤维素纤维相结合，在提高纤维素气凝胶阻燃性能的同时也提高了纤维素气凝胶的机械性能；气凝胶的多孔结构赋予其低导热系数，从而拥有良好的隔热性能。
附图说明
图1为不同组分的纤维素气凝胶的压缩应力应变曲线(a)和压缩强力(b)；其中CA指纯纤维素气凝胶，CA/Si指纤维素纤维素和有机硅的复合气凝胶，CA/Si/Dopa.1、CA/Si/Dopa.2、CA/Si/Dopa.3分别指含有5wt％、10wt％和20wt％多巴胺的纤维素、有机硅和多巴胺复合气凝胶；(三个数值分别对应实施例1、实施例2和和实施例3，根据实施例中给出盐酸多巴胺的质量，然后计算得到复合气凝胶中多巴胺的含量)
图2为不同组分的纤维素气凝胶的导热系数；
图3为不同组分的纤维素气凝胶燃烧前后(对应图中上下)的数码照片；从左至右依次为CA、CA/Si、CA/Si/Dopa.1、CA/Si/Dopa.2、CA/Si/Dopa.3；
图4为本发明中纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)纤维素微米(纳米)线悬浮液的改性
称取10g质量分数为1.4％的木浆纤维素微米线悬浮液放置到50ml烧杯中，在室温磁力搅拌的条件下将0.14g KH550滴加入上述悬浮液中，再加入17.1mg(5wt％)盐酸多巴胺并用Tris-HCl缓冲液调节悬浮液的pH值至8.5；保持室温搅拌24h。
(2)制备纤维素气凝胶
取出步骤(1)中悬浮液中的转子并将悬浮液放置于液氮中冷冻8min，冷冻结束后将冰冻的凝胶放置到冷冻干燥剂进行干燥(约36h)，得到纤维素气凝胶，再将纤维素气凝胶放置到110℃烘箱中干燥30min来提高硅烷的交联度，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶。
实施例2
(1)纤维素微米(纳米)线悬浮液的改性
称取10g质量分数为1.4％的木浆纤维素微米线悬浮液放置到50ml烧杯中，在室温磁力搅拌的条件下将0.14g KH550滴加入上述悬浮液中，再加入31.1mg(10wt％)盐酸多巴胺并用Tris-HCl缓冲液调节悬浮液的pH值至8.5；保持室温搅拌24h。
(2)取出步骤(1)中悬浮液中的转子并将悬浮液放置于液氮中冷冻8min，冷冻结束后将冰冻的凝胶放置到冷冻干燥剂进行干燥(约36h)，得到纤维素气凝胶，再将纤维素气凝胶放置到110℃烘箱中干燥30min来提高硅烷的交联度，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶。
实施例3
(1)纤维素微米(纳米)线悬浮液的改性
称取10g质量分数为1.4％的木浆纤维素微米线悬浮液放置到50ml烧杯中，在室温磁力搅拌的条件下将0.14g KH550滴加入上述悬浮液中，再加入70.0mg(20wt％)盐酸多巴胺并用Tris-HCl缓冲液调节悬浮液的pH值至8.5；保持室温搅拌24h。
(2)取出步骤(1)中悬浮液中的转子并将悬浮液放置于液氮中冷冻8min，冷冻结束后将冰冻的凝胶放置到冷冻干燥剂进行干燥(约36h)，得到纤维素气凝胶，再将纤维素气凝胶放置到110℃烘箱中干燥30min来提高硅烷的交联度，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶。
实施例4
(1)纤维素微米(纳米)线悬浮液的改性
称取10g质量分数为1.4％的木浆纤维素微米线悬浮液放置到50ml烧杯中，在室温磁力搅拌的条件下将0.14g KH560滴加入上述悬浮液中，再加入31.1mg盐酸多巴胺并用Tris-HCl缓冲液调节悬浮液的pH值至8.5；保持室温搅拌24h。(2)取出步骤(1)中悬浮液中的转子并将悬浮液放置于液氮中冷冻8min，冷冻结束后将冰冻的凝胶放置到冷冻干燥剂进行干燥(约36h)，得到纤维素气凝胶，再将纤维素气凝胶放置到110℃烘箱中干燥30min来提高硅烷的交联度，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶。
实施例1、2、3制备的样品一次编号为CA/Si/Dopa.1、CA/Si/Dopa.2、CA/Si/Dopa.3。从图1中可知，较纯的纤维素气凝胶，引入有机硅和多巴胺之后气凝胶的机械性能提高且强度随着多巴胺的量的增加增加。
见图2，实例1、2、3制备的气凝胶的导热系数维持在0.046W/(m K)。
见图3，纯纤维素气凝胶极易燃烧，且燃耗之后只有少量的灰烬剩余(图3a)。引入有机硅和多巴胺之后，纤维素气凝胶的阻燃性能得到显著提高，当多巴胺的含量达到10wt％时(图3d)，气凝胶离开火焰能够在3s内自熄。当多巴胺的量增加到20wt％时(图3e)，该复合气凝胶离开火焰能够马上自熄。
可得到：多巴胺的量不同能够显著影响气凝胶的阻燃性能。

Claims (10)

1.一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶，其特征在于，所述多巴胺的用量占气凝胶质量的5-20wt％，有机硅与纤维素的质量比为0.5:1-3:1；其中，纤维素为纤维素微米线或者纤维素纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶，其特征在于，所述有机硅为γ―氨丙基三乙氧基硅烷KH-550、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷KH-560和乙烯基三甲氧基硅烷KH-171中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶，其特征在于，所述纤维素为木浆纤维素、竹纤维素、棉花纤维素、羧基改性纤维素中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶，其特征在于，所述纤维素微米线的直径为30-100nm，长度为0.5-1mm；纤维素纳米线的直径为1-100nm，长度为100到500纳米。
5.一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，包括：
(1)将有机硅加到纤维素微米/纳米悬浮液中，搅拌，然后加入多巴胺，调节pH至8～9，搅拌，得到悬浮液；其中，有机硅与纤维素的质量比为0.5:1-3:1；
(2)将步骤(1)中的悬浮液置于液氮中冷冻，得到冰冻的凝胶，冷冻干燥，烘焙，得到纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶；其中，多巴胺的用量占气凝胶质量的5-20wt％。
6.根据权利要求5所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纤维素微米/纳米悬浮液的固含量为0.7-1.6wt％。
7.根据权利要求5所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中搅拌的时间为20～30h。
8.根据权利要求5所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中调节pH用三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸Tris-HCl缓冲液调节。
9.根据权利要求5所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中液氮中冷冻的时间为3～10min；冷冻干燥的时间为24～48h。
10.根据权利要求5所述的一种纤维素/有机硅/多巴胺阻燃隔热气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中烘焙的温度为80～120℃，烘焙的时间为20～35min。
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