專利名稱：一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及納米介孔材料的制備，具體為一種可用于環境中空氣凈化的生物質納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法。
背景技術：
伴隨工業化的不斷推進，大氣污染已對人類生活環境及身心健康構成重大威脅，治理空氣污染刻不容緩。在現階段空氣凈化的主要方法有物理吸附、化學氧化、生物降解、以及光催化氧化。其中，活性炭、分子篩等材料能高效選擇性地吸附各種有機、無機空氣污染物。然而，這些吸附只能暫時將污染物或有害物質存放、轉移，未能從根本上將其降解去除，難以實現標本兼治的目的。而近年來新興的納米二氧化鈦給環保材料和空氣凈化帶來了新思路。由于具有特殊的光催化氧化特性，它可借助紫外光將眾多有機污染物如醛、酚、鹵代烴、苯等催化氧化成無害物質，實現污染氣體徹底降解根除。為了提高納米二氧化鈦催化氧化效率，常利用多孔沸石、硅藻土等作為載體材料，增加其與有害氣體的接觸面積，取得了較為滿意的效果。然而，這些載體材料主要來源于礦物資源，非可再生；同時，在加工過程中還需要對這些初始原料進一步處理，如硅藻土需要多次精化除去雜質。在這樣的背景條件下，需要開發出一種新型的載體材料來實現可持續化生產，其中，植物纖維是一類來源廣泛、取之不盡用之不竭的生物質資源，而通過機械加工獲得的纖維素納米纖維擁有無可比擬的資源優勢，其氣凝膠為一種天然介孔材料，不僅比表面積大，強度高，且孔徑可調節。因此，采用生物質納米纖維負載納米二氧化鈦制備介孔材料，能滿足可持續發展需要，獲得質輕、環保、高效空氣凈化材料
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，以解決上述背景技術中的缺點。本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:
一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，區別于其它工藝的顯著特點是采用大比表面積、高長徑比的生物質纖維素納米纖絲負載納米二氧化鈦微粒。具體通過溶膠凝膠反應借助氫鍵將納米二氧化鈦枝接于納米纖維表面，經過低溫冷凍干燥釋放混合體系中的水分，獲得力學性能強、負載效果好、比表面積大的介孔復合氣凝膠材料。包括以下步驟:
第I步:室溫下量取一定量的前驅體鈦酸正丁酯，高速攪拌條件下，緩慢滴入到無水乙醇中，其中鈦酸正丁酯與無水乙醇的體積比為1:3 1:5。第2步:將上述攪拌均勻的混合液緩慢添加到纖維素納米纖絲溶液中(鈦酸正丁酯溶液與纖維素納米纖絲固體質量比為1:0.051:0.2)，加入催化劑稀鹽酸調節體系pH值至2 3，高速攪拌30min后，在超聲波分散條件下凝膠反應24h。
第3步:冷凍干燥處理。充分凝膠反應的上述溶液在低溫條件下迅速冷凍固化，抽真空中速冷凍干燥。第4步:后期陳化干燥。冷凍后的復合氣凝膠在室溫條件陳化I周，在10(T105°C加熱條件下真空干燥至絕干，即制得成品。本發明中，所述第I步中鈦酸正丁酯在高速攪拌條件下緩慢滴入無水乙醇中，滴加速度為3 5mL/min。本發明中，所述第I步中鈦酸正丁酯與無水乙醇的體積比為1:3 5，待滴加完成后，繼續攪拌廣3h。本發明中，所述第2步中纖維素納米纖絲的長徑比(纖維長度/纖維直徑)大于200，直徑 5 50nm。本發明中， 所述第2步中纖維素納米纖絲的固含量隨目標氣凝膠的要求而定，一般為 0.3 0.6wt%0本發明中，所述第2步中鈦酸正丁酯溶液與纖維素納米纖絲固體的質量比為1:0.05^1:0.2，視納米二氧化鈦的負載要求及介孔尺寸而定。本發明中，所述第3步中經凝膠反應后的混合物料在-12(T-80°C條件下低溫冷凍固化。本發明中，所述第3步中冷凍干燥溫度為-7(T-50°C，真空度為0.0r0.03MPa。本發明中，所述第4步中冷凍干燥的氣凝膠室溫條件陳化I周后，在10(T105°C條件下真空干燥至絕干。有益效果:本發明通過溶膠凝膠反應借助氫鍵將納米二氧化鈦枝接于纖維素納米纖絲表面。由于納米纖維在水溶液中相互交織呈網狀，還能有效阻止凝膠二氧化鈦粒子迅速成核長大，這些粒子與納米纖維表面親水基團羥基及羧基發生失水、失醇反應，充分負載于纖維表面。通過調控混合體系中水分含量可以調節介孔的孔徑分布，從而獲得力學性能強、負載效果好、比表面積大的介孔復合氣凝膠材料。該方法不僅操作簡單、可控性強，且原料植物纖維來源廣泛，成本低廉，符合綠色可持續發展戰略目標。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。實施例1
第I步:室溫下量取IOmL前驅體鈦酸正丁酯，高速攪拌條件下，以3mL/min速度緩慢滴入到40mL無水乙醇中，持續攪拌2h。第2步:上述攪拌均勻的混合液緩慢添加到300g固含量0.4%纖維素納米纖絲溶液中，加入催化劑稀鹽酸調節體系PH值在3，高速攪拌Ih后，在超聲波分散條件下凝膠反應24h。第3步:冷凍干燥處理。充分凝膠反應的上述溶液在_100°C低溫條件下迅速冷凍固化，在-60°C反應腔內0.002MPa真空條件下中速冷凍干燥。第4步:后期陳化干燥。冷凍干燥后的復合氣凝膠在室溫條件陳化I周，在100-105°C加熱條件下真空干燥至絕干，即得成品。
實施例2
第I步:室溫下量取IOmL前驅體鈦酸正丁酯，高速攪拌條件下，以4mL/min速度緩慢滴入到50mL無水乙醇中，持續攪拌2h。第2步:上述攪拌均勻的混合液緩慢添加到200g固含量0.5%纖維素納米纖絲溶液中，加入催化劑稀鹽酸調節體系PH值在3，高速攪拌Ih后，在超聲波分散條件下凝膠反應 24h。第3步:冷凍干燥處理。充分凝膠反應的上述溶液在-80°C低溫條件下迅速冷凍固化，在-50°C反應腔內0.0OlMPa真空條件下中速冷凍干燥。第4步:后期陳化干燥。冷凍干燥后的復合氣凝膠在室溫條件陳化I周，在100_105°C加熱條件下真空干燥至絕干，即得成品。實施例3
第I步:室溫下量取IOmL前驅體鈦酸正丁酯，高速攪拌條件下，以3mL/min速度緩慢滴入到50mL無水乙醇中，持續攪拌3h。第2步:上述攪拌均勻的混合液緩慢添加到400g固含量0.4%纖維素納米纖絲溶液中，加入催化劑稀鹽酸調節體系PH值在2，高速攪拌2h后，在超聲波分散條件下凝膠反應 24h。第3步:冷凍干燥處理。充分凝膠反應的上述溶液在-100°C低溫條件下迅速冷凍固化，在-70°C反應腔內0.002MPa真空條件下中速冷凍干燥。第4 步:后期陳化干燥。冷凍干燥后的復合氣凝膠在室溫條件陳化I周，在100-105°C加熱條件下真空干燥至絕干，即得成品。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，采用大比表面積、高長徑比的生物質纖維素納米纖絲負載納米二氧化鈦微粒，具體通過溶膠凝膠反應借助氫鍵將納米二氧化鈦枝接于納米纖維表面，經過低溫冷凍干燥釋放混合體系中的水分，獲得力學性能強、負載效果好、比表面積大的介孔復合氣凝膠材料，其具體制作過程包括以下步驟: 第I步:室溫下量取一定量的前驅體鈦酸正丁酯，高速攪拌條件下，緩慢滴入到無水乙醇中，其中鈦酸正丁酯與無水乙醇的體積比為1:3 1:5 ； 第2步:將上述攪拌均勻的混合液緩慢添加到纖維素納米纖絲溶液中(鈦酸正丁酯溶液與纖維素納米纖絲固體質量比為1:0.051:0.2)，加入催化劑稀鹽酸調節體系pH值至2^3,高速攪拌3 0min后，在超聲波分散條件下凝膠反應24h ； 第3步:冷凍干燥處理，充分凝膠反應的上述溶液在低溫條件下迅速冷凍固化，抽真空中速冷凍干燥； 第4步:后期陳化干燥，冷凍后的復合氣凝膠在室溫條件陳化I周，在10(T105°C加熱條件下真空干燥至絕干，即制得成品。
2.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第I步中鈦酸正丁酯在高速攪拌條件下緩慢滴入無水乙醇中，滴加速度為3 5mL/min。
3.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第I步中鈦酸正丁酯與無水乙醇的體積比為1:3 5，待滴加完成后，繼續攪拌I 3h。
4.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第2步中纖維素納米纖絲的長徑比大于200，直徑5 50nm。
5.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第2步中纖維素納米纖絲的固含量隨目標氣凝膠的要求而定，一般為0.3^0.6wt%。
6.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第2步中鈦酸正丁酯溶液與纖維素納米纖絲固體的質量比為1:0.05^1:0.2。
7.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第3步中經凝膠反應后的混合物料在-12(T-80°C條件下低溫冷凍固化。
8.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第3步中冷凍干燥溫度為-7(T-50°C，真空度為0.0r0.03MPa。
9.根據權利要求1所述的一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，其特征在于，所述第4步中冷凍干燥的氣凝膠室溫條件陳化I周后，在10(T105°C條件下真空干燥至絕干。
全文摘要
一種納米纖維負載納米二氧化鈦介孔材料的制備方法，該發明采用大比表面積、高長徑比的生物質纖維素納米纖絲為負載體，通過溶膠凝膠反應借助氫鍵將納米二氧化鈦枝接于納米纖維表面。由于納米纖維在水溶液中相互交織呈網狀，不僅能提供有效的反應面積，還能阻止凝膠二氧化鈦粒子快速成核長大，促使其與纖維表面羥基等基團充分反應。通過調控混合體系中水分含量可以調節介孔孔徑，從而獲得力學性能強、負載效果好、比表面積大的介孔復合氣凝膠材料。該方法操作簡單、可控性強，原料來源廣泛，是一種高效、綠色、可持續的加工手段。
文檔編號C08L1/02GK103172897SQ20131007607
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者卿彥, 吳義強 申請人:中南林業科技大學