CN111269455A - 一种新型纤维素气凝胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型纤维素气凝胶的制备方法，将纤维素加入到溶剂中搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，溶解后通过脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将纤维素溶液通过成型模具进入凝固浴中再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；将得到的纤维素水凝胶经干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶。本发明所述纺丝液制备过程中的溶剂为DMSO溶解助剂与TBAH有机碱溶剂的混合溶剂，通过匹配凝固浴及特定成型模具可实现更低密度的纤维素气凝胶的制备，具有工艺简单、成本低廉、绿色环保且在常温下即可进行等优点。

Description

一种新型纤维素气凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于纤维素气凝胶技术领域，具体涉及一种新型纤维素气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种用气体代替凝胶中的液体而本质上不改变凝胶自身网络结构的特殊凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物。气凝胶具有纳米级的多孔结构和高孔隙率等特点，密度范围在3-600Kg/m³之间，是目前所知密度最小的固体材料之一。气凝胶具有低导热率、低介电常数、高的比表面积以及优良的抗冲击能力等，这些独特的性质步进使得该材料在基础研究中引起人们兴趣，而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景。

纤维素来源广泛，是自然界中最丰富的高分子材料，具有可降解、可再生以及良好的生物相容性。利用纤维素制备纤维素气凝胶可广泛应用在化工、建筑、造纸、材料等领域。传统的纤维素气凝胶的生产过程存在成本高、污染重等不足之处。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单、成本低廉、绿色环保且在常温下即可进行的新型纤维素气凝胶的制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：纤维素水凝胶的制备

将纤维素加入到溶剂中搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，其中DMSO溶解助剂占混合溶剂总质量的0%-90%，所述DMSO溶解助剂的纯度为90wt%以上，该DMSO溶解助剂用于充分浸润纤维素结构中的非晶区和亚结晶区，极力避免DMSO溶解助剂与TBAH有机碱溶剂之间的竞争关系，促进溶剂向纤维素内部的扩散，实现溶剂扩散与纤维素溶解之间平衡的调控，从而实现纤维素更加高效溶解，其次DMSO溶解助剂用于提升所获得纤维素溶液的稳定性，该DMSO溶解助剂能够稳定吸附于已溶解纤维素分子表面，从而有效抑制已溶解纤维素的再生团聚，同时DMSO溶解助剂能够有效降低纤维素溶液的粘度，有利于纤维素溶液在常温下的远距离输送，所述TBAH有机碱溶剂为浓度40wt%以上的TBAH水溶液，溶解后通过脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将纤维素溶液通过成型模具进入凝固浴中再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；

步骤S2：纤维素气凝胶的制备

将步骤S1得到的纤维素水凝胶经干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶。

进一步限定，步骤S1中所述纤维素来自于木材、棉花、棉短绒、麦草、秸秆、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮或甘蔗渣。

进一步限定，步骤S1中所述纤维素浆粕的溶解过程包括：先混合DMSO溶解助剂与TBAH有机碱溶剂，再加入纤维素进行溶解；或者先使用DMSO溶解助剂浸润纤维素，再加入TBAH有机碱溶剂进行溶解；或者先使用DMSO溶解助剂浸润纤维素，再加入剩余DMSO溶解助剂和TBAH有机碱溶剂的混合溶液进行溶解。

进一步限定，步骤S1中所述凝固浴为水、酸性溶液、醇类溶剂、酮类溶剂或它们的混合溶剂，混合再生液的温度为25-60℃。

进一步限定，步骤S1中所述凝固浴为水或硫酸溶液。

进一步限定，步骤S1中所述纤维素溶液中纤维素的含量为1wt%-25wt%。

进一步限定，步骤S1中采用不同的成型模具或方法最终能够制备出片状、纤维状或颗粒状的纤维素气凝胶。

进一步限定，步骤S2中所述干燥过程为超临界干燥或冷冻干燥。

进一步限定，所述新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于具体过程步骤为：

步骤S1：纤维素水凝胶的制备

将纤维素加入到溶剂中机械搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，其中DMSO溶解助剂占混合溶剂总质量的80%，DMSO溶解助剂的纯度为95wt%，TBAH有机碱溶剂为浓度50wt%的TBAH水溶液，纤维素溶液中纤维素的含量为10wt%，溶解后通过离心或负压脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将所得的纤维素溶液与凝固浴混合并通过成型模具使其再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；

步骤S2：纤维素气凝胶的制备

将步骤S1得到的纤维素水凝胶经超临界干燥或冷冻干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶的密度为0.03-0.5g/cm³，比表面积大于80m²/g，孔隙率大于85%。

本发明制备纺丝液过程中所选用的溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂。此处，DMSO溶解助剂的作用并非仅仅是溶解纤维素制备纺丝液的常规溶剂，也并非将TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的简单组合，其中DMSO溶解助剂的作用主要表现在以下三方面：

1）DMSO溶解助剂能够增加纤维素的可及性，从而能够让溶剂能够渗入纤维素内部，并继而溶解纤维素。纤维素溶解过程涉及到的一个关键问题是聚集态聚合物的溶胀，即溶剂向纤维素晶体的扩散。纤维素在TBAH有机碱溶剂中的溶解过程是一个边溶解、边扩散的过程；纤维素的溶解会造成溶解区域溶液粘度的显著上升，从而不利于溶剂进一步向纤维素内部继续扩散，因此该溶剂体系的溶解效率偏低。纤维素溶液的粘度与纤维素的聚合度有着非常大的关系。本发明通过溶解助剂的引入，能够充分浸润纤维素结构中的非晶区和亚结晶区，促进溶剂向纤维素内部的扩散，实现溶剂扩散与纤维素溶解之间平衡的调控，从而令纤维素更高效地溶解。在该过程中除了存在溶解助剂与纤维素之间的竞争作用以及有机碱溶剂与纤维素之间的竞争作用之外，还存在溶解助剂与有机碱溶剂之间的竞争关系。其中，后者不利于纤维素的溶解，因此需要极力避免。这意味着并非所有本领域内常用的溶解助剂都对溶解起到正面作用；若溶解助剂与有机碱溶剂之间的分子间作用力过强，则会对有机碱溶剂的纤维素溶解性产生负面作用，本发明中使用有机碱溶剂与溶解助剂的混合溶剂作为纺丝制备过程中的溶剂，极力避免了溶解助剂与有机碱溶剂之间的竞争关系，有效促进了溶剂向纤维素内部的扩散，实现溶剂扩散与纤维素溶解之间平衡的调控，从而令纤维素更高效地溶解。

2）DMSO溶解助剂能够提升所获得纤维素溶液的稳定性。由于该有机碱溶剂为一种非衍生化纤维素溶解，因此纤维素在溶液中处于不稳定状态，即存在已溶解纤维素分子在溶液环境中再生形成团聚物的可能。而单一有机碱溶剂对纤维素的溶解存在纤维素溶液稳定性差的问题。随着溶解助剂的加入，其能够稳定地吸附于已溶解纤维素分子表面，从而有效抑制已溶解纤维素的再生团聚。溶解助剂与有机碱溶剂之间过强的分子间相互作用也需要避免，以免影响有机碱对纤维素的溶解性。本发明综合考虑有机碱溶剂、溶解助剂和纤维素三者之间的竞争关系，最终选择效果较为理想的有机碱溶剂和溶解助剂作为混合溶剂用于溶解高聚合度（聚合度400以上）纤维素。

3）DMSO溶解助剂可有效降低纤维素溶液的粘度，有助于实现纤维素溶液在常温下的远距离输送，降低传输能耗和成本，有助于实现工业化生产。同时随着DMSO溶解助剂的加入，纤维素溶液的碱含量相对降低，可进一步优化凝固浴中酸的配比，大幅减少酸的使用量，减少污染，同时改善操作人员的工作环境。

另外，天然纤维素存在复杂的多层次结构。不同来源的纤维素原料，不仅存在聚集态结构和聚合度等显著差异，而且在微量元素含量、非纤维素成分（半纤维素、木质素等）及其结合方式等方面也存在显著差别。因而，从技术角度来说，对不同来源纤维素原料的溶解是具有明显的难易差别的。对于高聚合度的纤维素原料（比如棉浆、木浆等），该有机碱溶剂并不能良好地溶解这些纤维素。本发明中由于存在溶解助剂关键性的协同作用，混合溶剂对纤维素的溶解能力有了显著的提升，这具体表现在混合溶剂能够良好地溶解具有更高聚合度的纤维素原料。

本发明所述纺丝液制备过程中的溶剂为DMSO溶解助剂与TBAH有机碱溶剂的混合溶剂，通过匹配凝固浴及特定成型模具可实现更低密度的纤维素气凝胶的制备，具有工艺简单、成本低廉、绿色环保且在常温下即可进行等优点。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

本发明的工艺流程如下：将纤维素加入到溶剂中搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，其中DMSO溶解助剂占混合溶剂总质量的0%-90%，所述DMSO溶解助剂的纯度为90wt%以上，所述TBAH有机碱溶剂为浓度40wt%以上的TBAH水溶液，纤维素溶液中纤维素的含量为1wt%-25wt%，溶解后通过离心或负压脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将纤维素溶液通过成型模具进入凝固浴中再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；将得到的纤维素水凝胶经超临界干燥或冷冻干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶。

以下具体实施例中选用的DMSO溶解助剂的纯度为95wt%，TBAH有机碱溶剂为浓度50wt%的TBAH水溶液，棉浆为原料，配置10wt%甲种纤维素含量的纤维素溶液。

从上述实施例中由于对DMSO溶解助剂和TBAH水溶液配比的改进，可获得更低粘度的纤维素溶液，同时可以有效降低酸的使用量，并且获得更低密度的纤维素气凝胶。其中DMSO溶解助剂和TBAH有机碱溶剂的质量配比为8/2时效果最佳。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (8)

1.一种新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：纤维素水凝胶的制备

将纤维素与溶剂混合，搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，其中DMSO溶解助剂占混合溶剂总质量的0%-90%，所述DMSO溶解助剂的纯度为90wt%以上，该DMSO溶解助剂用于充分浸润纤维素结构中的非晶区和亚结晶区，极力避免DMSO溶解助剂与TBAH有机碱溶剂之间的竞争关系，促进溶剂向纤维素内部的扩散，实现溶剂扩散与纤维素溶解之间平衡的调控，从而实现纤维素更加高效溶解，其次DMSO溶解助剂用于提升所获得纤维素溶液的稳定性，该DMSO溶解助剂能够稳定吸附于已溶解纤维素分子表面，从而有效抑制已溶解纤维素的再生团聚，同时DMSO溶解助剂能够有效降低纤维素溶液的粘度，有利于纤维素溶液在常温下的远距离输送，所述TBAH有机碱溶剂为浓度40wt%以上的TBAH水溶液，溶解后通过脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将纤维素溶液通过成型模具进入凝固浴中再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；

步骤S2：纤维素气凝胶的制备

将步骤S1得到的纤维素水凝胶经干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶。

2.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述纤维素来自于木材、棉花、棉短绒、麦草、秸秆、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮或甘蔗渣。

3.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述纤维素溶液中纤维素的含量为1wt%-25wt%。

4.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述凝固浴为水、酸性溶液、醇类溶剂、酮类溶剂或它们的混合溶剂，混合再生液的温度为25-60℃。

5.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述凝固浴为水或硫酸溶液。

6.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S1中采用不同的成型模具或方法最终能够制备出片状、纤维状或颗粒状的纤维素气凝胶。

7.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述干燥过程为超临界干燥或冷冻干燥。

8.根据权利要求1所述的新型纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于具体过程步骤为：

步骤S1：纤维素水凝胶的制备

将纤维素加入到溶剂中机械搅拌至完全溶解，该溶剂为TBAH有机碱溶剂与DMSO溶解助剂的混合溶剂，其中DMSO溶解助剂占混合溶剂总质量的80%，DMSO溶解助剂的纯度为95wt%，TBAH有机碱溶剂为浓度50wt%的TBAH水溶液，纤维素溶液中纤维素的含量为10wt%，溶解后通过离心或负压脱泡制成均匀的纤维素溶液，再将所得的纤维素溶液与凝固浴混合并通过成型模具使其再生成型，然后用脱盐水反复置换直至溶剂清洗干净，得到纤维素水凝胶；

步骤S2：纤维素气凝胶的制备

将步骤S1得到的纤维素水凝胶经超临界干燥或冷冻干燥去除所含水分后得到纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶的密度为0.03-0.5g/cm³，比表面积大于80m²/g，孔隙率大于85%。