CN109897210A

CN109897210A - 一种纤维素复合气凝胶的制备方法

Info

Publication number: CN109897210A
Application number: CN201910038300.1A
Authority: CN
Inventors: 龚琛; 田超; 倪建萍
Original assignee: China Pulp And Paper Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Pulp And Paper Research Institute Co Ltd; China National Pulp and Paper Research Institute
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2019-06-18

Abstract

本发明公开了一种纤维素复合气凝胶的制备方法，该方法主要通过加入能与纤维素发生交联作用的交联剂，获得具有高强度、高孔隙率的复合气凝胶，解决了纤维素气凝胶制备过程中强度性能和孔隙结构较难平衡的问题。拓宽了纤维素复合气凝胶的应用领域，在过滤、吸附、隔音降噪、缓冲材料包装等领域中均可得到广泛应用。

Description

一种纤维素复合气凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种纤维素复合气凝胶的制备方法。

背景技术

纤维素气凝胶是继无机气凝胶、有机气凝胶之后新发展起来的第三代气凝胶，与传统气凝胶相比，纤维素特有的原料绿色可再生、可生物降解和优异的生物兼容性等优点，使纤维素气凝胶的应用在制药、医疗、日化等行业领域有很好的发展前景，因此迅速成为气凝胶研究领域的新热点。

在制备纤维素气凝胶的过程中，通常由于分子链上亲水羟基形成的氢键作用，在溶剂交换及干燥处理过程中发生结构收缩，致使力学性能大大降低，限制其应用范围。为实现纤维素气凝胶的多功能化，扩大纤维素气凝胶的应用领域，通常对纤维素气凝胶进行物理或化学增强。通过与有机高分子材料、无机材料、纳米微晶纤维素等相互混合，可达到物理增强纤维素气凝胶的效果。另外，对纤维素气凝胶进行改性得到较多的活性基团，通过化学交联的方式与其他功能性基团相结合，也可有效地提高纤维素气凝胶的强度性能。同时，气凝胶的特性主要来源于其孔隙结构，研究表明，气凝胶的强度与密度成正比，而密度与孔隙率成反比，因此如何保持气凝胶较高孔隙率的同时具有较高强度，是制备高品质纤维素气凝胶的主要难点之一。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素复合气凝胶的制备方法。该方法主要通过加入能与纤维素发生交联作用的交联剂，获得具有高强度、高孔隙率的复合气凝胶。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1)将纤维素原料进行预处理，获得微纤化纤维素分散液；

2)微纤化纤维素分散液机械处理，获得纤维素水凝胶；

3)将纤维素水凝胶与交联剂相混合，得到复合水凝胶；

4)将复合水凝胶进行冷冻干燥，得到纤维素复合气凝胶；

5)将纤维素复合气凝胶进行后加热处理，得到高强度的纤维素复合气凝胶。

步骤(1)中所述的预处理包括TEMPO氧化、高碘酸盐氧化、碱处理中的至少一种；

步骤(2)中所述的机械处理包括高压均质处理、研磨粉碎处理、超声处理、超微粉碎、微射流中的至少一种；

步骤(2)中所述的纤维素水凝胶的静置稳定性较好，常温静置1周后不分层；

步骤(3)中所述的交联剂包括有机硅改性苯丙乳液、有机氟改性苯丙乳液、环氧树脂改性苯丙乳液、功能性单体改性苯丙乳液、阳离子苯丙乳液中的至少一种；所述的交联剂的浓度为0.1％～10％(w/w)；纤维素水凝胶的浓度为0.1％～10％(w/w)；纤维素水凝胶与交联剂的比例为10～100：1(w/w)；

步骤(4)中所述的冷冻干燥处理中，冷冻温度为－196℃～－5℃；

步骤(5)中所述的后加热处理中，加热温度为25℃～150℃，时间为1～100min；

根据本发明制备的纤维素复合气凝胶的压缩强度达到40KPa，孔隙率达到99％以上，BET比较面积达到200m²/g^-1，在过滤、吸附、隔音降噪、缓冲材料包装领域中应用。

本发明的特点在于：该化学交联纤维素凝胶的制备方法简单，易于实施，可操作性强，本发明制备得到的纤维素气凝胶机械性能优异，具有高强度、高孔隙率的特点，解决了纤维素气凝胶制备过程中强度性能和孔隙结构较难平衡的问题。拓宽了纤维素复合气凝胶的应用领域，在过滤、吸附、隔音降噪、缓冲材料包装等领域中均可得到广泛应用。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做更为详细的介绍：

实施例1：

一种纤维素复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)纤维素原料的预处理：以针叶木浆板为原料，称取该样品干重20g，加水至浓度2％(w/w)后经机械疏解直至纤维完全解离，在搅拌状态下加入0.25g TEMPO和2.5g NaBr，之后向体系中加入5mmol/g浆的次氯酸钠，反应过程中不断滴加0.5M氢氧化钠维持总体系pH为10.5；当体系pH值不变时，停止反应；加入少量0.5M盐酸将pH调至中性，将浆料洗净后置于4℃冰箱保存；

2)纤维素水凝胶的制备：取10g氧化纤维素加入490ml蒸馏水配成2％浓度的浆料，在高压均质机作用下，高压均质的条件是30MPa，均质时间为15个循环，得到纤维素水凝胶；

3)复合水凝胶的制备：纤维素水凝胶与苯丙乳液以20:1(w/w)比例混合，在高速搅拌条件下混合均匀后静置成型；

4)纤维素复合气凝胶的制备：将复合水凝胶放入冰箱冷冻过夜后，转移到冷冻干燥机中干燥成型得到复合气凝胶，最后放置于烘箱105℃中加热5min，得到高强度的纤维素复合气凝胶。

实施例2：

一种纤维素复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)纤维素原料的预处理：以阔叶木浆板为原料，称取该样品干重20g，加水至浓度2％(w/w)后经机械疏解直至纤维完全解离，在搅拌状态下加入0.25g TEMPO和2.5g NaBr，之后向体系中加入10mmol/g浆的次氯酸钠，反应过程中不断滴加0.5M氢氧化钠维持总体系pH为10.5；当体系pH值不变时，停止反应；加入少量0.5M盐酸将pH调至中性，将浆料洗净后置于4℃冰箱保存；

2)纤维素水凝胶的制备：取10g氧化纤维素加入190ml蒸馏水配成5％浓度的浆料，在研磨间隙1mm条件下研磨5个循环，得到纤维素水凝胶；

3)复合水凝胶的制备：纤维素水凝胶与苯丙乳液以10:1(w/w)比例混合，在高速搅拌条件下混合均匀后静置成型；

4)纤维素复合气凝胶的制备：将复合水凝胶放入冰箱冷冻过夜后，转移到冷冻干燥机中干燥成型得到复合气凝胶，最后放置于烘箱60℃中加热15min，得到高强度的纤维素复合气凝胶。

对上述实施例的纤维素复合气凝胶进行测试，测试结果如下表所示。

由表中可以看出，采用本发明方法制备得到的纤维素复合气凝胶兼具多孔特性和机械性能优异的优势。

Claims

1.一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将纤维素原料进行预处理，获得微纤化纤维素分散液；

2)微纤化纤维素分散液机械处理，获得纤维素水凝胶；

3)将纤维素水凝胶与交联剂相混合，得到复合水凝胶；

4)将复合水凝胶进行冷冻干燥，得到纤维素复合气凝胶；

2.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预处理包括TEMPO氧化、高碘酸盐氧化、碱处理中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的机械处理包括高压均质处理、研磨粉碎处理、超声处理、超微粉碎、微射流中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的纤维素水凝胶的静置稳定性较好，常温静置1周后不分层。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的交联剂包括有机硅改性苯丙乳液、有机氟改性苯丙乳液、环氧树脂改性苯丙乳液、功能性单体改性苯丙乳液、阳离子苯丙乳液中的至少一种；所述的交联剂的浓度为0.1％～10％(w/w)；纤维素水凝胶的浓度为0.1％～10％(w/w)；纤维素水凝胶与交联剂的比例为10～100：1(w/w)。

6.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的冷冻干燥处理中，冷冻温度为－196℃～－5℃。

7.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的后加热处理中，加热温度为25℃～150℃，时间为1～100min。

8.根据权利要求1所述的一种纤维素复合气凝胶的制备方法，其特征在于，采取权利要求1所述的纤维素复合气凝胶的制备方法制备得到的气凝胶的压缩强度达到40KPa，孔隙率达到99％以上，BET比较面积达到200m²/g^-1，在过滤、吸附、隔音降噪、缓冲材料包装领域中应用。