CN115260573A - 定向pva掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶及其制备方法 - Google Patents

定向pva掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶及其制备方法，制备方法包括如下步骤：将聚乙烯醇短纤维与碱脲混合均匀，于‑25～‑20℃保持2～3h，加入棉絮碎末搅拌均匀，加入N,N‑亚甲基双丙烯酰胺后混合均匀，凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中直至pH位于7‑8，将其置于MgCl2水溶液中12～24h，将其放入NaOH水溶液中10～24h，得到氢氧化镁纤维素水凝胶，将氢氧化镁纤维素水凝胶的一面与‑30～‑10℃的平面接触并保持10～30min，冷冻干燥，得到定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。本发明的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的降噪系数最高达到0.46，阻燃性为在5s内能够自熄，并在70％的应变下压缩强度达到了1.18MPa，具有优异吸音性能、阻燃性能、力学性能。

Description

定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织工业技术领域，具体来说涉及一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶及其制备方法。
背景技术
工业化和自动化的发展进程越来越快，虽然给人类带来了巨大的经济利益，但也造成了严重的噪声污染。研究表明，人类长时间暴露在噪声中会造成严重的健康隐患，如听力损伤、失眠、焦虑等，以及一些心脏代谢疾病的患病风险。因此有效的治理和防护噪音污染十分重要。纤维素气凝胶在具备气凝胶优异性能的同时，兼具可再生和生物降解性等，成为绿色吸音材料的考虑对象。常规情况下制备出的再生纤维素气凝胶孔洞结构无序，阻碍了其吸音性能。进一步提高吸声性能常用的方法是增加厚度，这样可以扩展声波的传播路径，为能量消耗提供更多的机会。然而，在实际应用中，对吸声材料的厚度不可能无限制地增加，并且天然纤维素容易燃烧。因此，如何制备轻质、薄、阻燃性好、吸声能力强的纤维材料仍然是一个难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。
一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)将聚乙烯醇(PVA)短纤维与碱脲混合，搅拌均匀，于-25～-20℃保持2～3h，得到PVA碱脲溶液，其中，按质量份数计，聚乙烯醇短纤维和碱脲的比为1：(80～200)；
在所述步骤1)中，所述搅拌均匀为100～500rpm均匀分散0.5～1h。
在所述步骤1)中，所述聚乙烯醇短纤维的长度为3～5mm。
在所述步骤1)中，所述碱脲为氢氧化钠、尿素和水的混合物，按质量份数计，所述碱脲中氢氧化钠、尿素和水的比为(7～8):12:81。
2)向PVA碱脲溶液加入棉絮碎末，搅拌均匀，得到透明纤维素溶液，将N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和透明纤维素溶液混合均匀，得到MBA纤维素混合溶液，其中，按质量份数计，PVA碱脲溶液、棉絮碎末和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的比为(28～29)： 1:1；
在所述步骤2)中，所述搅拌均匀为500～1000rpm搅拌0.5～1h。
在所述步骤2)中，所述棉絮碎末在加入PVA碱脲溶液前于50～80℃保持10～12h。
3)将MBA纤维素混合溶液于常温20～25℃静置10～15h，以使其凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中直至纤维素水凝胶以及纤维素水凝胶所浸入的去离子水的pH同时位于7-8，取出纤维素水凝胶后将其置于MgCl2水溶液中12～24h，再取出纤维素水凝胶并将其放入NaOH水溶液中10～24h，得到氢氧化镁纤维素水凝胶 (MH@纤维素水凝胶)；
在所述步骤3)中，所述MgCl2水溶液中MgCl2的浓度为0.25～1mol/L。
在所述步骤3)中，所述NaOH水溶液中NaOH的浓度为0.5～1mol/L。
4)将氢氧化镁纤维素水凝胶的一面与-30～-10℃的平面接触并保持10～30min，使氢氧化镁纤维素水凝胶离开平面，再进行冷冻干燥，得到定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。
在所述步骤4)中，所述冷冻干燥的时间为40～50h，所述冷冻干燥的温度为-90～-50℃。
在所述步骤4)中，所述平面为铁块的平面，所述铁块位于液氮中，用于实现所述 -30～-10℃的平面。
上述制备方法获得的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。
本发明的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的降噪系数最高达到0.46，阻燃性为在5s内能够自熄，并在70％的应变下压缩强度达到了1.18MPa，具有优异吸音性能、阻燃性能、力学性能。
附图说明
图1为实施例4所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的SEM，其中，(a) 为定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的横截面，(b)为定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的横截面，(c)为(b)中圆圈内聚乙烯醇短纤维的放大图，(d)为(c)中聚乙烯醇短纤维的边缘放大图；
图2为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的(a)密度和(b)孔隙率；
图3为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的(a)TG曲线和(b)DTG曲线；
图4为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的(a)吸音曲线和(b)平均吸音系数和降噪系数；图5为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例4所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的燃烧前后的损毁长度；
图6为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的(a)应力应变曲线和(b)最大压缩强度；
图7为(a)实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例6所得纤维素气凝胶的X射线衍射图和(b)实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例6所得纤维素气凝胶的傅立叶红外光谱图；(c)实施例6所得纤维素气凝胶的孔壁表面图；(d)实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的孔壁表面图；
图8为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的(a)扫描图像、(b)C元素图谱、(c)O元素图谱、(d)Mg元素图谱和(e)EDX光谱图；
图9为实施例4所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶在不同空气层厚度下的(a)吸音曲线和(b)平均吸音系数和降噪系数，其中，实施例4-0mm为空气层厚度 0mm，实施例4-5mm为空气层厚度5mm，实施例4-10mm为空气层厚度10mm，实施例 4-15mm为空气层厚度15mm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法进行详细说明。
下述实施例中所涉及原料的购买源如下：
棉浆板购自于天津市木精灵生物科技有限公司(中国天津)。获得棉絮碎末的方法为：使用粉碎机对棉浆板进行粉碎。
聚乙烯醇长丝购自于北京光辉纺织有限公司(中国北京)，剪短至成3～5mm，获得聚乙烯醇(PVA)短纤维；
氢氧化钠(NaOH)，尿素(urea)，N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)均购自于上海麦克林生化科技有限公司。
无水氯化镁购自天津市大茂化学试剂厂。
所有化学药品和溶剂均为分析纯，无需进一步纯化。
水均采用去离子水。
下述实施例中所涉及测试的仪器和型号如下：
阻燃性能通过酒精灯垂直燃烧试验以评估。
实施例1(用于对比)
一种掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)准备碱脲，将碱脲在冰箱中于-20℃保持2h，得到碱脲溶液，其中，碱脲为氢氧化钠、尿素和去离子水的混合物，按质量份数计，碱脲中氢氧化钠、尿素和去离子水的比为7:12:81；
2)在烘箱中，将洗净的棉絮碎末于60℃保持12h，用于烘干，向碱脲溶液加入棉絮碎末，500rpm搅拌0.5h，得到纤维素溶液，将N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和纤维素溶液混合，以500rpm搅拌0.5h，得到MBA纤维素混合溶液，其中，按质量份数计，碱脲溶液、棉絮碎末和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的比为28.5：1:1；
3)将MBA纤维素混合溶液倒入模具中于常温20～25℃静置12h，以使其凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中48h，以使纤维素水凝胶以及纤维素水凝胶所浸入的去离子水的pH同时位于7-8(每间隔12h更换一次去离子水)，取出纤维素水凝胶后将其置于MgCl2水溶液中24h，再取出吸收了Mg2+的纤维素水凝胶并将其放入 NaOH水溶液中24h，得到氢氧化镁纤维素水凝胶(MH@纤维素水凝胶)，其中，MgCl2水溶液中MgCl2的浓度为1mol/L，NaOH水溶液中NaOH的浓度为1mol/L；
4)准备一铁块，将铁块的底部放置于-196℃的液氮中，将氢氧化镁纤维素水凝胶的底面与铁块的顶面接触并保持30min，以实现定向冷冻，从铁块上取下氢氧化镁纤维素水凝胶，在冷冻干燥机中冷冻干燥氢氧化镁纤维素水凝胶，得到掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶，其中，冷冻干燥的时间为48h，冷冻干燥的温度为-70℃，经测试，当铁块的底部放置于-196℃的液氮时铁块的顶面的温度为-30℃。
实施例2～5
一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)准备碱脲，将聚乙烯醇(PVA)短纤维与碱脲混合，于300rpm均匀分散0.5h，在冰箱中于-20℃保持2h，得到PVA碱脲溶液，其中，按质量份数计，聚乙烯醇短纤维和碱脲的比为X，聚乙烯醇短纤维的长度为3～5mm，碱脲为氢氧化钠、尿素和去离子水的混合物，按质量份数计，碱脲中氢氧化钠、尿素和去离子水的比为7:12:81；
2)在烘箱中，将洗净的棉絮碎末于60℃保持12h，用于烘干，向PVA碱脲溶液加入棉絮碎末，500rpm搅拌0.5h，得到较为粘稠的透明纤维素溶液，将N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和透明纤维素溶液混合，以500rpm搅拌0.5h，得到MBA纤维素混合溶液，其中，按质量份数计，PVA碱脲溶液、棉絮碎末和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的比为Y；
3)将MBA纤维素混合溶液倒入模具中于常温20～25℃静置12h，以使其凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中48h，以使纤维素水凝胶以及纤维素水凝胶所浸入的去离子水的pH同时位于7-8(每间隔12h更换一次去离子水)，取出纤维素水凝胶后将其置于MgCl2水溶液中24h，再取出吸收了Mg2+的纤维素水凝胶并将其放入 NaOH水溶液中24h，得到氢氧化镁纤维素水凝胶(MH@纤维素水凝胶)，其中，MgCl2水溶液中MgCl2的浓度为1mol/L，NaOH水溶液中NaOH的浓度为1mol/L；
4)准备一铁块，将铁块的底部放置于-196℃的液氮中，将氢氧化镁纤维素水凝胶的底面与铁块的顶面接触并保持30min，以实现定向冷冻，从铁块上取下氢氧化镁纤维素水凝胶，在冷冻干燥机中冷冻干燥氢氧化镁纤维素水凝胶，得到定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶，其中，冷冻干燥的时间为48h，冷冻干燥的温度为-70℃，经测试，当铁块的底部放置于-196℃的液氮时铁块的顶面的温度为-30℃。
X和Y的值如表1所示。
表1
实施例 X Y
实施例2 0.005：1 28.7:1:1
实施例3 0.0075：1 28.8:1:1
实施例4 0.01：1 28.9:1:1
实施例5 0.0125：1 29:1:1
实施例6(用于对比)
一种纤维素气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
1)准备碱脲，将碱脲在冰箱中于-20℃保持2h，得到碱脲溶液，其中，碱脲为氢氧化钠、尿素和去离子水的混合物，按质量份数计，碱脲中氢氧化钠、尿素和去离子水的比为7:12:81；
2)在烘箱中，将洗净的棉絮碎末于60℃保持12h，用于烘干，向碱脲溶液加入棉絮碎末，500rpm搅拌0.5h，得到纤维素溶液，将N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和纤维素溶液混合，以500rpm搅拌0.5h，得到MBA纤维素混合溶液，其中，按质量份数计，碱脲溶液、棉絮碎末和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的比为28.5：1:1；
3)将MBA纤维素混合溶液倒入模具中于常温20～25℃静置12h，以使其凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中48h，以使纤维素水凝胶以及纤维素水凝胶所浸入的去离子水的pH同时位于7-8(每间隔12h更换一次去离子水)；
4)准备一铁块，将铁块的底部放置于-196℃的液氮中，将步骤3)获得的纤维素水凝胶的底面与铁块的顶面接触并保持30min，以实现定向冷冻，从铁块上取下纤维素水凝胶，在冷冻干燥机中冷冻干燥纤维素水凝胶，得到纤维素气凝胶，其中，冷冻干燥的时间为48h，冷冻干燥的温度为-70℃，经测试，当铁块的底部放置于-196℃的液氮时铁块的顶面的温度为-30℃。
通过热场扫描电镜(ZEISS，Oberkochen，Germany，Gemini SEM500)观察形貌，加速电压为10kV，所有测试样品都需要经过喷金操作。由图1中(a)圆圈内图像可以观察到聚乙烯醇短纤维穿插在实施例4所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的多孔结构中，并没有影响构建规律开放的三维多孔结构。图1的(b)是该定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶中多孔结构，可以看到图像上依旧有定向冷冻处理过的痕迹，多孔结构的孔壁方向的走向都是水平的，并且在孔壁上也可以看见PVA短纤维的存在。
图7为(a)实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例6所得纤维素气凝胶的X射线衍射图和(b)实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例6所得纤维素气凝胶的红外光谱图，图7的(a)表征了这两种材料的晶体结构。其中(110)和(200) 晶面对应的是2θ＝20.4°和22.4°的衍射峰，属于纤维素II晶体的特征峰。位于2θ＝18.5°、38.1°、50.6°、58.7°、62°的衍射峰分别对应(001)、(101)、(102)、(110)、 (111)的晶面，属于Mg(OH)2的标准特征峰，说明成功合成了六边形的Mg(OH)2纳米粒子。
由图7的(b)可知，掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶在3698cm-1处出现了新的吸收峰，属于Mg(OH)2的标准吸收峰，这可以归因于Mg(OH)2晶体结构中O-H的伸缩振动峰。而3306cm-1的宽峰为H-O的伸缩振动峰，2892cm-1为C-H的伸缩振动峰，1019cm-1为C-O的伸缩振动峰，这些峰属于纤维素分子的典型特征峰，在纤维素气凝胶和掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶上都有体现，表明原位合成Mg(OH)2纳米粒子并没有对纤维素的主要成分造成影响。896cm-1处为β(1→4)-糖苷键的C-O-C的特征峰，1537cm-1处为N-H键的特征峰，1646cm-1为C＝C伸缩吸收峰，这都是MBA与棉絮中的纤维素进行化学交联的结果，同样这些特征峰在两个样品上都得到体现，表明不但Mg(OH)2纳米粒子成功原位合成，而且还没有对纤维素气凝胶的主要化学结构造成影响。
掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的元素组成通过EDX得到进一步的分析。如图8所示，其中，(a)为扫描图像；(b)为C元素图谱；(c)为O元素图谱；(d)为Mg元素图谱；(e)为EDX光谱图。EDX图谱显示掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶中的主要元素为 Mg，C和O，相应的含量分别为31.72wt％，24.54wt％和43.75wt％。其中C元素来自于棉絮碎末中的棉纤维，Mg元素主要来自于氢氧化镁，因此可以推断掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶是由棉纤维和氢氧化镁组成的。根据图像也可以看出Mg(OH)2纳米粒子在纤维素气凝胶上是均匀分布的。
图1的(c)为对图1的(b)圆圈内结构的进一步放大，图7的(c)为实施例6所得纤维素气凝胶的孔壁表面图，图7的(d)为实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的孔壁表面图。通过对图7(a)、图7(b)的分析，对比图7(c)、图7(d)和图1 (c)可以推断图1(c)表面颗粒为在定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的多孔结构上合成的氢氧化镁。图1的(d)为对图1的(c)进一步放大，图像显示氢氧化镁纳米粒子紧密地附着在聚乙烯醇短纤维的表面，没有对聚乙烯醇短纤维的形态结构造成影响。
由图2的(a)可以观察到，随着PVA短纤维的掺入质量增加气凝胶的密度也随着增加。实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的密度为0.0771g·cm-3，实施例5 所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的密度达到最大值为0.08993g·cm-3。从电镜图中也可以看出PVA短纤维在气凝胶结构中的排列，其在三维结构中的有序穿插并没有影响气凝胶的定向多孔结构。
气凝胶的密度增加导致孔隙率降低，实施例1所得氢氧化镁复合纤维素气凝胶的孔隙率为94.95％，实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的孔隙率分别依次为94.75％、94.51％、94.36％和94.11％，如图2的(b) 所示，显示随着PVA短纤维的掺入质量增加，气凝胶的孔隙率会随之降低。
通过热重分析仪(TG 209F3,NETZSCH,Bavaria,Germany)对样品热稳定性进行测试，将样品置于氮气气氛下以10℃/min的速率从50℃升温至800℃。样品称取5-10mg 进行测试，将样品置于氮气气氛下以10℃/min的速率从50℃升温至800℃并记录样品的相对质量损失。
由3(a)分析可知，所有样品在100℃之前就出现了轻微的重量损失(大约在3％左右)，代表着样品中的自由水的蒸发。随着温度升高曲线趋于平稳，而在200℃掺杂了PVA短纤维的氢氧化镁复合纤维素气凝胶开始出现质量损失，未掺杂PVA短纤维的氢氧化镁复合纤维素气凝胶在220℃左右质量也开始降低。结合聚乙烯醇的热分解温度为200℃左右可知，在200℃的质量损失代表PVA短纤维的分解，棉絮中的纤维素的热分解温度在 200-350℃，因此在第二阶段的剧烈减重是由于PVA短纤维和纤维素纤维的热分解，质量损失达到50％。第三阶段的减重趋势放缓，主要表现为碳化残留物的分解。
图3的(b)的DTG曲线显示出实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶都出现了三个峰，其中第一个峰和第三个峰处于同一温度梯度下，分别代表自由水的损失和氢氧化镁的分解。而第二个峰发生了向左偏移，其主要原因是PVA短纤维的加入，在PVA短纤维分解之后，其与定向掺杂PVA氢氧化镁复合纤维素气凝胶的接触面失去了氢氧化镁的保护，因此最大失重速率温度降低。
参照ASTM E1050-07使用合并双麦克风阻抗管(Automotive Research&Testing)测试吸音性能。吸声性能的测试需要将样品需制备成圆柱体形，低频样品圆柱体形的直径为40mm，吸音频率测试范围小于2500Hz。高频样品圆柱体形的直径为20mm，吸音频率的测量范围为2500Hz～5000Hz。圆柱体形的高度均为10mm。
由图4可以观察到实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的平均吸音系数和降噪系数分别为0.417和0.39，随着PVA短纤维的掺杂质量增加，定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的平均吸音系数和降噪系数都有增加。其中实施例4的平均吸音系数和降噪系数达到最大，分别为0.45和0.46。而实施例5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的平均吸音系数和降噪系数相对于实施例4是降低的，平均吸音系数和降噪系数分别为0.44和0.455。实施例6所得纤维素气凝胶的平均吸音系数和降噪系数分别依次为0.38和0.35。
将实施例4所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶制成圆柱体形的样品，通过改变样品与吸音管孔壁的距离(分别为0mm、5mm、10mm和15mm)测试吸音性能，测试结果如图9所示，其中，空气层为样品与吸音管孔壁的距离。随着空气层的厚度从0mm增加15mm，最大吸音系数向低频移动，由1385Hz移动到846Hz。
将实施例5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶吸音性能的降低归结于过量PVA短纤维的聚集，从而影响材料的吸音性能。
通过酒精灯点燃样品测试阻燃性。制备长5cm、宽1cm、厚0.5cm的样品，将样品在火焰下点燃2s后移开，观察样品燃烧程度，并记录自熄时间。图5为将实施例4制备的定向掺杂PVA氢氧化镁复合纤维素气凝胶与实施例1制备未掺杂PVA的掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶分别制成样品后燃烧前后损毁对比的实物图，其中P0为实施例1制备的掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶，P1为实施例4制备的定向掺杂PVA氢氧化镁复合纤维素气凝胶。通过观察样品燃烧程度可知，在短暂燃烧之后，实施例4制备的定向掺杂PVA 氢氧化镁复合纤维素气凝胶与实施例1制备的掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶都能够在 5s内自熄，实施例1制备的掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶并没有因为PVA短纤维的存在而持续燃烧。
通过万能强力机(HT-2402)对实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶进行压缩测试，压缩速率为2 mm/min。将实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶和实施例2～5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶分别制作成直径40mm、高度10mm的圆柱体形作为样品，每个实施例制作3个样品，3个样品的测试值求取平均值作为测试结果，测试结果如图6 所示。由图6的(a)观察到在掺杂了PVA短纤维之后定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶最大压缩应力随着掺入PVA短纤维的质量增加而增大。掺入PVA短纤维的定向PVA 掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶能够承受的应力增加，应变也同样增加，实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的弹性区应变为2.3％，而掺入PVA短纤维的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶弹性区形变最低为12.3％，说明掺入PVA短纤维之后气凝胶的弹性增加。
图6的(b)显示实施例1所得掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶在70％应变下的最大压缩强度为0.719MPa，而实施例2、实施例3、实施例4和实施例5所得定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶在70％应变下的最大压缩强度分别为0.96MPa、0.99MPa、 1.107MPa和1.18MPa。实施例6所得纤维素气凝胶在70％应变下的最大压缩强度为0.35Mpa。说明掺杂PVA短纤维的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的力学性能得到提升。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将聚乙烯醇短纤维与碱脲混合，搅拌均匀，于-25～-20℃保持2～3h，得到PVA碱脲溶液，其中，按质量份数计，聚乙烯醇短纤维和碱脲的比为1：(80～200)；
2)向PVA碱脲溶液加入棉絮碎末，搅拌均匀，得到透明纤维素溶液，将N,N-亚甲基双丙烯酰胺和透明纤维素溶液混合均匀，得到MBA纤维素混合溶液，其中，按质量份数计，PVA碱脲溶液、棉絮碎末和N,N-亚甲基双丙烯酰胺的比为(28～29)：1:1；
3)将MBA纤维素混合溶液于常温20～25℃静置10～15h，以使其凝固，得到纤维素水凝胶，将纤维素水凝胶浸入去离子水中直至纤维素水凝胶以及纤维素水凝胶所浸入的去离子水的pH同时位于7～8，取出纤维素水凝胶后将其置于MgCl2水溶液中12～24h，再取出纤维素水凝胶并将其放入NaOH水溶液中10～24h，得到氢氧化镁纤维素水凝胶；
4)将氢氧化镁纤维素水凝胶的一面与-30～-10℃的平面接触并保持10～30min，使氢氧化镁纤维素水凝胶离开平面，再进行冷冻干燥，得到定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述聚乙烯醇短纤维的长度为3～5mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述碱脲为氢氧化钠、尿素和水的混合物，按质量份数计，所述碱脲中氢氧化钠、尿素和水的比为(7～8):12:81。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述搅拌均匀为100～500rpm均匀分散0.5～1h；在所述步骤2)中，所述搅拌均匀为500～1000rpm搅拌0.5～1h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述棉絮碎末在加入PVA碱脲溶液前于50～80℃保持10～12h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述MgCl2水溶液中MgCl2的浓度为0.25～1mol/L。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述NaOH水溶液中NaOH的浓度为0.5～1mol/L。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述冷冻干燥的时间为40～50h，所述冷冻干燥的温度为-90～-50℃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述平面为铁块的平面，所述铁块位于液氮中，用于实现所述-30～-10℃的平面。
10.如权利要求1～9中任意一项所述制备方法获得的定向PVA掺杂氢氧化镁复合纤维素气凝胶。
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