CN110064347A - 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110064347A
CN110064347A CN201910435537.3A CN201910435537A CN110064347A CN 110064347 A CN110064347 A CN 110064347A CN 201910435537 A CN201910435537 A CN 201910435537A CN 110064347 A CN110064347 A CN 110064347A
Authority
CN
China
Prior art keywords
preparation
porous
vascular bundle
fiber
porous aerogel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910435537.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110064347B (zh
Inventor
阎子峰
黄剑坤
梁保强
曾景斌
吴军委
乔柯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China University of Petroleum East China
Original Assignee
China University of Petroleum East China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China University of Petroleum East China filed Critical China University of Petroleum East China
Priority to CN201910435537.3A priority Critical patent/CN110064347B/zh
Publication of CN110064347A publication Critical patent/CN110064347A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110064347B publication Critical patent/CN110064347B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D17/00Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0202Separation of non-miscible liquids by ab- or adsorption
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/0091Preparation of aerogels, e.g. xerogels
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/24Naturally occurring macromolecular compounds, e.g. humic acids or their derivatives
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/261Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28047Gels
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2220/00Aspects relating to sorbent materials
    • B01J2220/40Aspects relating to the composition of sorbent or filter aid materials
    • B01J2220/46Materials comprising a mixture of inorganic and organic materials

Abstract

本发明涉及气凝胶材料技术领域,具体涉及一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用。本发明提供的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法,利用冷冻铸造成型法将无机纳米纤维、有机高分子聚合物制备成多孔气凝胶,其具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层‑栈架‑层”结构,所述“层‑栈架‑层”结构为有序三维多孔网络结构,包含维管束横、纵截面仿生结构,可提供高通透性微米通道,具有优异的仿生疏水性能和高吸油能力,能够应用于油水混合物中油品的吸附分离;同时,所述多孔气凝胶还具有优异的抗机械挤压疲劳性能,且在移除驱使变形载荷后,可以自动恢复至初始形态,能够作为弹性材料使用。

Description

基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及气凝胶材料技术领域,具体涉及一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
经过长时间的进化,生物材料往往展现出最优化的多尺度结构和在光、电、磁、热、力等方面的诸多优异性能,如轻质高强、自清洁、智能响应、环境适应性、自愈合与自我复制功能等,这些都是人们在设计和制备新材料中所梦寐以求的优异性能。因此,模仿生物材料的结构特点和功能特性而研制开发仿生材料引起研究者们的广泛关注。但是,开发仿生材料不仅要模拟生物材料的结构特征,更要模拟其特殊功能。
在新兴纳米材料领域中,气凝胶材料作为一种基于跨尺度与仿生设计思想构造的等级多孔整体性固体物质,具有优异的可延展屈曲力学结构,这种独特的固态骨架支撑和气态介质异相填充组成的高通透性纳米多孔网络结构使其通常具有较高的孔隙度和柔弹性。但是,现行气凝胶材料的孔结构多为无序型,与有序型结构相比,无序结构组装体的吸附和抗力学挤压性能具有较大程度的不可控性。因此,迫切需要从大自然的生物体系中获取灵感,从而设计出有序型结构并且结构可控的仿生多孔气凝胶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用,本发明提供的多孔气凝胶具有“层-栈架-层”结构,具有优异的仿生疏水性能、高吸油能力和优异的抗机械挤压疲劳性能。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合,得到混合浆料;
将所述混合浆料置于模具中,将盛放有混合浆料的模具放在基底上,然后进行冷冻铸造成型,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。
优选地,所述无机纳米纤维的直径为10~120nm,长度为50nm~500μm。
优选地,所述有机高分子聚合物的重均分子量为1200~500000,聚合度为10~1000000。
优选地,所述混合浆料中无机纳米纤维的浓度为5~30mg/mL,有机高分子聚合物的浓度为5~50mg/mL。
优选地,所述模具的材质包括金属、石英玻璃或有机硅橡胶;所述模具的壁厚为0.1~0.8cm。
优选地,所述基底的材料包括聚二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、氨基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚硅氧烷共聚物或聚苯乙烯;所述基底的厚度为10μm~10cm。
优选地,所述冷冻铸造成型的温度为-20~-50℃,时间为30s~0.5h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶,具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构,其中,所述纤维栈架由无机纳米纤维形成,所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成。
优选地,所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的密度为14.21~35.58mg/cm3
本发明提供了上述技术方案所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶作为吸附分离材料或弹性材料的应用。
本发明提供了一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法,包括以下步骤:将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合,得到混合浆料;将所述混合浆料置于模具中,将盛放有混合浆料的模具放在基底上,然后进行冷冻铸造成型,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。本发明利用冷冻铸造成型法将无机纳米纤维、有机高分子聚合物制备成多孔气凝胶,其具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构(其中,所述纤维栈架由无机纳米纤维形成,所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成),所述“层-栈架-层”结构为有序三维多孔网络结构,包含维管束横、纵截面仿生结构,可提供高通透性微米通道,具有优异的仿生疏水性能和高吸油能力,能够应用于油水混合物中油品的吸附分离;同时,所述多孔气凝胶还具有优异的抗机械挤压疲劳性能,且在移除驱使变形载荷后,可以自动恢复至初始形态,能够作为弹性材料使用。实施例的实验结果显示,本发明提供的多孔气凝胶对不同种类油品的吸附能力为74.2~99.9g/g,可承受压缩应变为30%~90%,弹性模量为0.1425~0.5921kPa,与水滴的界面接触角均大于90°。
此外,本发明提供的多孔气凝胶的制备方法原料易得、工艺简单、生产成本低,可控性强;通过控制模具和基底的材质及尺寸等特征,能够调控冷冻铸造过程中的致孔方式,实现最终所得多孔气凝胶中微观尺度仿生孔结构的可控调控以及宏观尺度形貌的可调变性。
附图说明
图1为本发明制备基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的流程图;
图2为实施例1制备的多孔气凝胶的扫描电子显微镜图;
图3为实施例3制备的多孔气凝胶的扫描电子显微镜图;
图4为实施例3制备的多孔气凝胶在一次50%应变挤压后的扫描电子显微镜图;
图5为实施例1制备的多孔气凝胶静态表面接触角图;
图6为实施例2制备的多孔气凝胶静态表面接触角图;
图7为实施例3制备的多孔气凝胶静态表面接触角图;
图8为实施例3制备的铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶的压缩应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法,包括以下步骤:
将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合,得到混合浆料;
将所述混合浆料置于模具中,将盛放有混合浆料的模具放在基底上,然后进行冷冻铸造成型,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。
本发明利用冷冻铸造成型法将无机纳米纤维、有机高分子聚合物制备成多孔气凝胶,其具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构(其中,所述纤维栈架由无机纳米纤维形成,所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成),所述“层-栈架-层”结构为有序三维多孔网络结构,包含维管束横、纵截面仿生结构,可提供高通透性微米通道,具有优异的仿生疏水性能和高吸油能力,能够应用于油水混合物中油品的吸附分离;同时,所述多孔气凝胶还具有优异的抗机械挤压疲劳性能,且在移除驱使变形载荷后,可以自动恢复至初始形态,能够作为弹性材料使用。
本发明将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合,得到混合浆料。
在本发明中,所述无机纳米纤维的直径优选为10~120nm,更优选为20~80nm;长度优选为50nm~500μm,更优选为10~100μm。在本发明中,所述无机纳米纤维优选包括铜纳米线、银纳米线、锡纳米线、铌纳米线、铟纳米线、硅纳米线、氧化铜纳米线、氧化银纳米线、氧化锡纳米线、氧化铌纳米线、氧化铟纳米线、碳化硅纳米线、铂钴纳米线和铂镍纳米线中的一种或几种,更优选为铜纳米线或银纳米线。
在本发明中,所述有机高分子聚合物的重均分子量优选为1200~500000,更优选为10000~100000;聚合度优选为10~1000000,更优选为5000~30000。在本发明中,所述有机高分子聚合物优选包括聚乙烯醇、聚乙二醇、壳聚糖、海藻酸钠、几丁质(即壳多糖)、硫酸软骨素、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙乙烯-丙烯腈共聚物和聚丁二烯-丙烯腈共聚物中的一种或几种,更优选为海藻酸钠或聚乙烯醇。
本发明对于制备多孔气凝胶时所需无机纳米纤维和有机高分子聚合物得具体组合没有特殊的限定,具体的,如以铜纳米线和海藻酸钠为原料制备多孔气凝胶、以铜纳米线和聚乙烯醇为原料制备多孔气凝胶、以银纳米线和海藻酸钠为原料制备多孔气凝胶、或者以银纳米线和聚乙烯醇为原料制备多孔气凝胶。
在本发明中,所述溶剂优选包括水和有机溶剂;所述有机溶剂优选包括苯、甲苯、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或几种,更优选为N,N-二甲基甲酰胺。在本发明中,所述水和有机溶剂的体积比优选为(3~10):(0.5~4),更优选为(5~8):(1~3)。
在本发明中,所述混合浆料中无机纳米纤维的浓度优选为5~30mg/mL,更优选为5~22.1mg/mL;有机高分子聚合物的浓度优选为5~50mg/mL,更优选为5~38.9mg/mL。本发明通过控制无机纳米纤维和有机高分子聚合物的用量,保证所得多孔气凝胶中具有“层-栈架-层”结构;如果有机高分子聚合物用量过少,则无法经后续冷冻铸造成型得到气凝胶;如果有机高分子聚合物用量过多,虽然能够得到气凝胶,但是气凝胶内部孔道为闭合型,不具有“层-栈架-层”结构。
本发明对于所述无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合没有特殊的限定,能够将各组分充分溶解、分散即可。在本发明中,所述无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合优选在搅拌条件下进行,所述搅拌的转速优选为300~500rpm。在本发明的实施例中,具体是将有机高分子聚合物溶液与无机纳米纤维水分散液混合;所述有机高分子聚合物溶液中溶剂优选为水和有机溶剂,本发明对于所述有机高分子聚合物溶液和无机纳米纤维水分散液的浓度以及二者的配比没有特殊的限定,保证二者混合后所得混合浆料中有机高分子聚合物和无机纳米纤维的浓度满足上述要求即可。
得到混合浆料后,本发明将所述混合浆料置于模具中,将盛放有混合浆料的模具放在基底上,然后进行冷冻铸造成型,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。
在本发明中,所述模具的材质优选包括金属、石英玻璃或有机硅橡胶,所述金属优选包括铝、铜或铁;所述模具的壁厚优选为0.1~0.8cm,更优选为0.2~0.4cm。本发明对于所述模具的形状没有特殊的限定,根据实际需要选择合适的形状即可;在本发明中,所述模具优选为空心正方体、空心长方体或空心圆柱体。本发明通过控制模具的材质、尺寸及形状等特征,能够调控冷冻铸造过程中的致孔方式,实现最终所得多孔气凝胶中微观尺度仿生孔结构的可控调控以及宏观尺度形貌的可调变性。
在本发明中,所述基底的材料优选包括聚二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、氨基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚硅氧烷共聚物或聚苯乙烯;所述基底的厚度优选为10μm~10cm,更优选为10μm~1cm,进一步优选为10~30μm。本发明通过控制基底的材料和厚度,能够调控冷冻铸造过程中的致孔方式及致孔速率,实现最终所得多孔气凝胶中微观尺度仿生孔结构的可控调控。
在本发明中,所述冷冻铸造成型的温度优选为-20~-50℃,时间优选为30s~0.5h。本发明优选通过液氮提供所述冷冻铸造成型的温度,如图1所示,具体是在金属板材上面放置基底,在基底上放置模具,将混合浆料倒入模具中,然后在金属板材下面放置液氮,利用液氮控制金属板材的温度(即为冷冻铸造成型的温度,且设定的温度由铠装式温度传感器检测),实现对模具中混合浆料进行冷冻铸造成型;在冷冻铸造成型过程中,高分子聚合物在冰晶生产过程中被挤压成层,而无机纳米纤维则会搭接在层间形成栈桥,最终组装而成“层-栈架-层”结构,得到具有仿生维管束微结构的多孔气凝胶。本发明对于所述金属板材的具体种类没有特殊的限定,在本发明的实施例中,具体是采用铜板材;在本发明中,所述金属板材的厚度优选为0.1~1cm,更优选为0.25~0.6cm。
完成所述冷冻铸造成型后,本发明优选将所得成型冻实体与模具分离,干燥后,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。在本发明中,所述干燥优选为冷冻干燥;所述冷冻干燥的温度优选为-50℃,时间优选为48h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶,具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构,其中,所述纤维栈架由无机纳米纤维形成,所述纤维栈桥的长度优选为10~150μm;所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成,所述相容包埋层的厚度优选为0.5~12μm。在本发明中,可根据相应原料的投加量控制多孔气凝胶中无机纳米纤维和有机高分子聚合物的含量。
在本发明中,所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的密度为14.21~35.58mg/cm3。本发明通过控制无机纳米纤维和有机高分子聚合物的用量、模具和基底的材质及尺寸等特征,实现多孔气凝胶密度的调控,使其具有优异的仿生疏水性能、高吸油能力和优异的抗机械挤压疲劳性能。
本发明提供了上述技术方案所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶作为吸附分离材料或弹性材料的应用。本发明提供的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶具有优异的抗机械挤压疲劳性能,且在移除驱使变形载荷后,可以自动恢复至初始形态,能够作为弹性材料使用;同时,还具有优异的仿生疏水性能和高吸油能力,能够应用于油水混合物中油品的吸附分离。在本发明中,所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶作为吸附分离材料时,应用方法优选包括:将基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶置于油水混合物中,所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶会吸附油品,从而实现油品和水相的分离;在本发明中,所述油品优选包括汽油、煤油、柴油、橄榄油和花生油中的一种或几种。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于仿生维管束微结构的铜纳米线-海藻酸钠多孔气凝胶的制备,如图1所示,包括以下步骤:
称取0.49g海藻酸钠(重均分子量为15000,聚合度为5000)固体颗粒于30mL烧杯中,向其中加入10mLN,N-二甲基甲酰胺,随后加入10mL去离子水,在500rpm转速条件下机械搅拌12h,得到均匀的海藻酸钠溶液;
取5mL浓度为45mg/mL的铜纳米线水分散液(其中,铜纳米线的直径为20nm,长度为100μm),另取7.5mL上述海藻酸钠溶液缓慢加入到铜纳米线水分散液中,在300rpm转速条件下磁力搅拌8h,得到混合浆料;
在洁净的铜板材(厚度为0.5cm)面上放置聚二甲基硅氧烷基底(厚度为0.01cm),然后在聚二甲基硅氧烷基底放置模具(材质为石英玻璃,形状为空心正方体,壁厚为0.2cm),将上述混合浆料倒入模具中;在铜板材面下放置液氮,利用液氮控制铜板材达到-20℃(该设定温度由铠装式温度传感器检测),经过5min冷冻铸造成型后,将所得成型冻实体与模具分离,冷冻干燥(温度为-50℃,时间为48h)后得到基于仿生维管束微结构的铜纳米线-海藻酸钠多孔气凝胶。
实施例2
基于仿生维管束微结构的银纳米线-海藻酸钠多孔气凝胶的制备,包括以下步骤:
称取1.4g海藻酸钠(重均分子量为25000,聚合度为10000)固体颗粒于30mL烧杯中,向其中加入10mLN,N-二甲基甲酰胺,随后加入10mL去离子水,在500rpm转速条件下机械搅拌12h,得到均匀的海藻酸钠溶液;
取5mL浓度为11mg/mL的银纳米线水分散液(其中,银纳米线的直径为30nm,长度为100μm),另取5mL上述海藻酸钠溶液缓慢加入到银纳米线水分散液中,在300rpm转速条件下磁力搅拌8h,得到混合浆料;
在洁净的铜板材(厚度为0.5cm)面上放置聚二甲基硅氧烷基底(厚度为0.01cm),然后在聚二甲基硅氧烷基底放置模具(材质为石英玻璃,形状为空心正方体,壁厚为0.2cm),将上述混合浆料倒入模具中;在铜板材面下放置液氮,利用液氮控制铜板材达到-30℃(该设定温度由铠装式温度传感器检测),经过2min冷冻铸造成型后,将所得成型冻实体与模具分离,冷冻干燥(温度为-50℃,时间为48h)后得到基于仿生维管束微结构的银纳米线-海藻酸钠多孔气凝胶。
实施例3
基于仿生维管束微结构的铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶的制备,包括以下步骤:
称取1.2g聚乙烯醇(重均分子量为15000,聚合度为5000)固体颗粒于50mL烧杯中,向其中加入20mLN,N-二甲基甲酰胺,随后加入20mL去离子水,在500rpm转速条件下机械搅拌12h,得到均匀的聚乙烯醇溶液;
取1.6mL浓度为75mg/mL的铜纳米线水分散液(其中,铜纳米线的直径为20nm,长度为100μm),另取7.5mL上述聚乙烯醇溶液缓慢加入到铜纳米线水分散液中,在300rpm转速条件下磁力搅拌8h,得到混合浆料;
在洁净的铜板材(厚度为0.6cm)面上放置聚二甲基硅氧烷基底(厚度为0.03cm),然后在聚二甲基硅氧烷基底放置模具(材质为硅橡胶,形状为空心正方体,壁厚为0.2cm),将上述混合浆料倒入模具中;在铜板材面下放置液氮,利用液氮控制铜板材达到-50℃(该设定温度由铠装式温度传感器检测),经过30s冷冻铸造成型后,将所得成型冻实体与模具分离,冷冻干燥(温度为-50℃,时间为48h)后得到基于仿生维管束微结构的铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶。
实施例4
基于仿生维管束微结构的银纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶的制备,包括以下步骤:
称取0.6g聚乙烯醇(重均分子量为15000,聚合度为5000)固体颗粒于50mL烧杯中,向其中加入20mLN,N-二甲基甲酰胺,随后加入20mL去离子水,在500rpm转速条件下机械搅拌12h,得到均匀的聚乙烯醇溶液;
取5mL浓度为56mg/mL的银纳米线水分散液(其中,银纳米线的直径为30nm,长度为150μm),另取10mL上述聚乙烯醇溶液缓慢加入到银纳米线水分散液中,在300rpm转速条件下磁力搅拌8h,得到混合浆料;
在洁净的铜板材(厚度为0.25cm)面上放置聚二甲基硅氧烷基底(厚度为0.01cm),然后在聚二甲基硅氧烷基底放置模具(材质为石英玻璃,形状为空心正方体,壁厚为0.2cm),将上述混合浆料倒入模具中;在铜板材面下放置液氮,利用液氮控制铜板材达到-50℃(该设定温度由铠装式温度传感器检测),经过1min冷冻铸造成型后,将所得成型冻实体与模具分离,冷冻干燥(温度为-50℃,时间为48h)后得到基于仿生维管束微结构的银纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶。
对实施例1~4制备的多孔气凝胶进行表征,具体如下:
图2为实施例1制备的多孔气凝胶的扫描电子显微镜图,图3为实施例3制备的多孔气凝胶的扫描电子显微镜图。由图2和图3可知,层-栈桥-层结构呈垂直分布状内嵌于气凝胶中,海藻酸钠或聚乙烯醇在前述制备过程中形成相容包埋层(厚度为0.5~12μm),铜纳米线形成纤维栈架(长度为10~30μm),有效构联各相容包埋层,最终形成具有“层-栈架-层”结构的多孔气凝胶。实施例2制备的多孔气凝胶和实施例4制备的多孔气凝胶的扫描电子显微镜图与图2和图3类似,均可以观察到多孔气凝胶具有“层-栈架-层”结构。
图4为实施例3制备的多孔气凝胶在一次60%应变挤压后的扫描电子显微镜图。由图4可知,在经历该应变条件下的挤压后,铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶仍能够保持独有的“层-栈架-层”结构,表明该“层-栈架-层”结构具有优异的抗机械挤压疲劳性能。实施例1、实施例2和实施例4制备的多孔气凝胶在一次60%应变挤压后的扫描电子显微镜图与图4类似,在经历该应变条件下的挤压后,均可以观察到多孔气凝胶仍具有“层-栈架-层”结构。
图5为实施例1制备的多孔气凝胶静态表面接触角图,图6为实施例2制备的多孔气凝胶静态表面接触角图,图7为实施例3制备的多孔气凝胶静态表面接触角图(由仪器直接导出的接触角测量结果为目前图5~7中浅灰色且较小字号的数据,为了便于更直观地读取接触角数据,在图5~7的左上角标注出了相应多孔气凝胶静态表面接触角数据)。由图5~7可知,实施例1~3制备的多孔气凝胶皆具有较好的疏水效应,接触角均大于90°。
表1为实施例1~4制备的多孔气凝胶的密度及杨氏模量数据,由表1可知,实施例1~4制备的多孔气凝胶的密度具有可调变性(14.21~35.58mg/cm3),材料对应的杨氏模量也具有可调变性(0.1425~0.5921kPa);且通过调整无机纳米纤维和有机高分子聚合物的用量、模具和基底的尺寸等特征,可以实现多孔气凝胶密度和杨氏模量的调控。
表1实施例1~4制备的多孔气凝胶的密度及杨氏模量数据
对实施例1~4制备的多孔气凝胶的性能进行测定,具体如下:
将实施例1~4制备的多孔气凝胶0.01g分别置于2mL含有油品的水体中,水体中油品的浓度均为500mg/mL,吸附5nin后,用红外分光测油仪测定吸附后水体中油品(汽油、煤油、柴油、橄榄油或花生油)的浓度,计算得到多孔气凝胶的油品吸附数值,结果见表2,表2中实验例1~4分别对应实施例1~4制备的多孔气凝胶的性能测试实验;表2中油品吸附数值(g/g)的计算公式如下:
油品吸附数值=(M1-M0)/M0
其中,M1为吸附实验后多孔气凝胶的质量(g);M0为吸附实验前多孔气凝胶的质量(g),即M0=0.01g。
水体中油品分离效率(%)的计算公式如下:
水体中油品分离效率=[(C0-C1)/C0]/M0*100%;
其中,C1为吸附实验后水体中油品的浓度(mg/mL);C0为吸附实验前水体中油品的浓度(mg/mL),即C0=500mg/mL;M0为吸附实验前多孔气凝胶的质量(g),即M0=0.01g。
表2实施例1~4制备的多孔气凝胶的吸附性能数据
由表2可知,实施例1~4制备的多孔气凝胶对上述油品皆具备较好的吸附脱除能力。
图8为实施例3制备的铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶的压缩应力应变曲线图。由图8可知,在30%、60%以及90%的应变作用下,3条曲线整体呈闭合状态,表明铜纳米线-聚乙烯醇多孔气凝胶具有较好的抗机械挤压疲劳性能。实施例1、实施例2和实施例4制备的多孔气凝胶的压缩应力应变曲线图与图8类似,在30%、60%以及90%的应变作用下,3条曲线整体呈闭合状态,表明多孔气凝胶具有较好的抗机械挤压疲劳性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将无机纳米纤维、有机高分子聚合物和溶剂混合,得到混合浆料;
将所述混合浆料置于模具中,将盛放有混合浆料的模具放在基底上,然后进行冷冻铸造成型,得到基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述无机纳米纤维的直径为10~120nm,长度为50nm~500μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述有机高分子聚合物的重均分子量为1200~500000,聚合度为10~1000000。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合浆料中无机纳米纤维的浓度为5~30mg/mL,有机高分子聚合物的浓度为5~50mg/mL。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述模具的材质包括金属、石英玻璃或有机硅橡胶;所述模具的壁厚为0.1~0.8cm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述基底的材料包括聚二甲基硅氧烷、环甲基硅氧烷、氨基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚醚聚硅氧烷共聚物或聚苯乙烯;所述基底的厚度为10μm~10cm。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述冷冻铸造成型的温度为-20~-50℃,时间为30s~0.5h。
8.权利要求1~7任一项所述制备方法制备得到的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶,其特征在于,具有由纤维栈架和相容包埋层组装而成的“层-栈架-层”结构,其中,所述纤维栈架由无机纳米纤维形成,所述相容包埋层由有机高分子聚合物形成。
9.根据权利要求8所述的基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶,其特征在于,所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶的密度为14.21~35.58mg/cm3
10.权利要求8或9所述基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶作为吸附分离材料或弹性材料的应用。
CN201910435537.3A 2019-05-23 2019-05-23 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用 Active CN110064347B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910435537.3A CN110064347B (zh) 2019-05-23 2019-05-23 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910435537.3A CN110064347B (zh) 2019-05-23 2019-05-23 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110064347A true CN110064347A (zh) 2019-07-30
CN110064347B CN110064347B (zh) 2021-09-07

Family

ID=67371365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910435537.3A Active CN110064347B (zh) 2019-05-23 2019-05-23 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110064347B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112064136A (zh) * 2020-09-16 2020-12-11 中国石油大学(华东) 一种空心结构纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用
CN112876731A (zh) * 2021-01-21 2021-06-01 合肥工业大学 一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法
FR3113609A1 (fr) * 2020-09-03 2022-03-04 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fabrication d’un aérogel à gradient de conduction électrique
CN115282888A (zh) * 2021-12-22 2022-11-04 青岛大学 一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法及应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140335412A1 (en) * 2008-04-14 2014-11-13 Bandgap Engineering, Inc. Process for fabricating nanowire arrays
CN107088388A (zh) * 2017-04-06 2017-08-25 中国科学技术大学 一种复合气凝胶材料、制备方法及其多功能再利用方法、多功能复合气凝胶材料和应用
CN108456326A (zh) * 2018-04-18 2018-08-28 东华大学 一种各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶及其制备方法
CN108654579A (zh) * 2018-05-17 2018-10-16 江苏大学 一种海藻酸钠/香蒲/氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN108811478A (zh) * 2018-06-12 2018-11-13 西北工业大学 一种三维层状MXene电磁屏蔽泡沫及制备方法
CN109666263A (zh) * 2019-01-04 2019-04-23 浙江大学 一种氮化硼/环氧树脂复合材料的制备方法及产品和应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140335412A1 (en) * 2008-04-14 2014-11-13 Bandgap Engineering, Inc. Process for fabricating nanowire arrays
CN107088388A (zh) * 2017-04-06 2017-08-25 中国科学技术大学 一种复合气凝胶材料、制备方法及其多功能再利用方法、多功能复合气凝胶材料和应用
CN108456326A (zh) * 2018-04-18 2018-08-28 东华大学 一种各向异性细菌纤维素/聚酰亚胺气凝胶及其制备方法
CN108654579A (zh) * 2018-05-17 2018-10-16 江苏大学 一种海藻酸钠/香蒲/氧化石墨烯复合气凝胶的制备方法
CN108811478A (zh) * 2018-06-12 2018-11-13 西北工业大学 一种三维层状MXene电磁屏蔽泡沫及制备方法
CN109666263A (zh) * 2019-01-04 2019-04-23 浙江大学 一种氮化硼/环氧树脂复合材料的制备方法及产品和应用

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3113609A1 (fr) * 2020-09-03 2022-03-04 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Fabrication d’un aérogel à gradient de conduction électrique
EP3964284A1 (fr) * 2020-09-03 2022-03-09 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Fabrication d'un aérogel à gradient de conduction électrique
CN112064136A (zh) * 2020-09-16 2020-12-11 中国石油大学(华东) 一种空心结构纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用
CN112064136B (zh) * 2020-09-16 2022-07-19 中国石油大学(华东) 一种空心结构纳米纤维气凝胶及其制备方法和应用
CN112876731A (zh) * 2021-01-21 2021-06-01 合肥工业大学 一种基于双向冷冻构筑各向异性导电水凝胶的方法
CN115282888A (zh) * 2021-12-22 2022-11-04 青岛大学 一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法及应用
CN115282888B (zh) * 2021-12-22 2024-02-02 青岛大学 一种兼具超快油液吸附能力和高压缩恢复性能的超疏水气凝胶制备方法及应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN110064347B (zh) 2021-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110064347A (zh) 基于仿生维管束微结构的多孔气凝胶及其制备方法和应用
Shahbazi et al. Directional freeze‐casting: A bioinspired method to assemble multifunctional aligned porous structures for advanced applications
Picard et al. Organization of microgels at the air–water interface under compression: Role of electrostatics and cross-linking density
Huber Soft matter in hard confinement: phase transition thermodynamics, structure, texture, diffusion and flow in nanoporous media
CN104661959B (zh) 石墨烯基材料
Deng et al. Polymeric janus particles with hierarchical structures
Bolognesi et al. Self-organization of polystyrenes into ordered microstructured films and their replication by soft lithography
Goehring et al. Solidification and ordering during directional drying of a colloidal dispersion
Wan et al. Multiple interfaces in self-assembled breath figures
Green et al. Connecting the wetting and rheological behaviors of poly (dimethylsiloxane)-grafted silica spheres in poly (dimethylsiloxane) melts
Li et al. Ordered honeycomb-structured gold nanoparticle films with changeable pore morphology: From circle to ellipse
Carranza et al. Deep-eutectic solvents as MWCNT delivery vehicles in the synthesis of functional poly (HIPE) nanocomposites for applications as selective sorbents
Fan et al. Bioinspired microfluidic device by integrating a porous membrane and heterostructured nanoporous particles for biomolecule cleaning
Jones et al. Hierarchically structured materials from block polymer confinement within bicontinuous microemulsion-derived nanoporous polyethylene
Kim et al. 3D cocontinuous composites of hydrophilic and hydrophobic soft materials: High modulus and fast actuation time
Tsai et al. Rayleigh instability in polymer thin films coated in the nanopores of anodic aluminum oxide templates
Song et al. Preparation and electrochemical sensing application of porous conducting polymers
Zhu et al. Development of novel materials from polymerization of Pickering emulsion templates
Guo et al. Research status and development trend of three-dimensional colloidal crystals
Zhou et al. 3D printing graphene oxide soft robotics
Haraguchi et al. Spontaneous formation of characteristic layered morphologies in porous nanocomposites prepared from nanocomposite hydrogels
Liu et al. Smart hydrogels: Network design and emerging applications
Shavit et al. The dynamics of unentangled polymers during capillary rise infiltration into a nanoparticle packing
Wang et al. Droplets in soft materials
Müller et al. Structural diversity in cryoaerogel synthesis

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant