本發明屬于纖維素氣凝膠技術,具體涉及纖維素氣凝膠復合材料及其制備方法。
背景技術:
1、氣凝膠孔隙率高、密度低、成本低等優異性能,被大量應用于隔熱、吸附、分離材料、生物醫學、在航空航天、建筑材料等領域,在食品、活性物質的釋放控制、包裝、儲能裝置、太陽能蒸汽產生和醫學領域的研究也在增加。
2、當前傳統無機氣凝膠原料存在消極環境影響,成本高昂且力學性能不佳,制備過程復雜,限制其應用范圍;同時由于纖維素在制備過程中會產生團聚且不易分散,因此引入氧化過程,而廣泛使用的tempo氧化方式實驗時間長,且對于ph等環境條件要求較為嚴苛;在冷凍氣凝膠時采用的常規冷凍方式,即非定向冷凍,形成各向同性的孔結構,導致力學性能和保溫隔熱性能不佳。綜上所述,若能選擇綠色環保原料,通過改善氣凝膠冷凍方向能夠制備得到具有優異孔結構及保溫性能和力學性能的氣凝膠,從而拓寬氣凝膠的應用。
3、為了制備得到高孔隙率的氣凝膠,研究者們探尋各類材料作為氣凝膠制備原料,同時通過超臨界干燥法保證冷凍干燥過程的高效與安全,從而獲得更加完整的孔結構。這種方法確實能夠顯著提升氣凝膠的保溫隔熱性能和力學性能,但存在高能耗、成本高、操作復雜等限制,從而使制備得到的氣凝膠止步于實驗室。亟待尋找一種操作流程簡單且高效,同時制備得到的氣凝膠又具有優異孔結構、保溫隔熱性能以及力學性能。
技術實現思路
1、為了解決背景技術中的問題,本發明提出了一種輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料的制備方法。
2、為了獲得具有各向異性結構的高保溫隔熱性能、高強度且輕質的氣凝膠復合材料,本發明的解決方案如下:(1)采用來源豐富,尺寸不同的棉纖維為原料,解決單一尺寸下氣凝膠力學性能及表觀結構差的問題。由于不同直徑的氣凝膠可以彼此搭接,同時通過交聯劑對交叉部分及纖維進行纏結,形成物理交聯,從而實現各成分之間更加緊密的連接,提升氣凝膠內部孔結構滯留空氣的能力,從而提升保溫性能和力學性能。(2)快速單向冷凍技術。由于傳統冷凍制備得到的氣凝膠各向同性,力學性能欠佳。本發明通過在液氮條件下的單向冷凍,隨后進行冷凍干燥,能夠保證從單一方向上提供冷源,從而得到各向異性的內部孔結構,同時由于在液氮條件下的快速冷凍,處于懸浮狀態下的氣凝膠能夠快速凍結,形成蛛網結構,孔隙率提高,孔徑減小,實現氣凝膠的高保溫隔熱性能需求。整體制備流程簡單,制備原料綠色環保,可廣泛應用。
3、本發明采用的技術方案如下:
4、一、一種輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料
5、所述纖維素氣凝膠復合材料由多尺度微米纖維素與交聯劑復合得到,內部形成分級微介孔結構。
6、所述多尺度微米纖維包括氧化棉絨纖維素和氧化微晶纖維素。
7、所述交聯劑包括聚乙烯醇。
8、二、一種輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料的制備方法,包括以下步驟:
9、步驟1)將聚乙烯醇pva溶液和纖維素混合攪拌均勻后得到纖維素懸浮液;
10、步驟2)將纖維素懸浮液裝到模具中進行快速單向冷凍,并對冷凍的樣品進行干燥;
11、步驟3)將樣品迅速脫模并置換到冷凍干燥機中冷凍干燥;
12、步驟4)將冷凍干燥后的樣品放入烘箱中干燥后,獲得纖維素氣凝膠復合材料。
13、所述步驟1)中:
14、纖維素懸浮液由33.4wt%的pva溶液、66.6wt%氧化后的纖維素組成
15、氧化后的纖維素包括氧化棉絨纖維素和氧化微晶纖維素;其中,纖維素中棉絨纖維素的質量含量為13.3wt%-53.3wt%。
16、所述步驟1)中:
17、所述棉絨纖維直徑范圍在13-20μm,微晶纖維素粒徑50μm,直徑范圍在2-10μm;
18、所述聚乙烯醇醇解87.0%-89.0%mol/mol,mw=72600,粘度40.0-48.0mpa.s.,使用溶液濃度為1%。
19、所述步驟1)中氧化后的纖維素的制備包括以下步驟:
20、氧化棉絨纖維素:棉絨纖維在去離子水中洗滌2-3次,干燥后用植物粉碎機磨成微米纖維;將干燥后的樣品置于1%wt/vol的氫氧化鈉中以120℃浸泡2h;然后用濃度為10%的過氧化氫處理樣品12h后,再用氫氧化鈉調整ph至12;然后在70℃干燥24h;最后,用去離子水沖洗至ph至7,在70℃下干燥12h后獲得氧化后的棉絨纖維素;
21、氧化微晶纖維素:將微晶纖維素在10%的過氧化氫中浸泡12h后,用氫氧化鈉調整其ph至12,然后在70℃干燥24h后,浸在去離子水中直到中和;最后將樣品置于70℃的烤箱中干燥12h,以獲得氧化后的微晶纖維,并在密閉干燥條件下保存。
22、所述步驟2)的單向冷凍過程具體為:
23、將銅塊置于盛滿液氮的玻璃培養中,將盛有懸浮液的模具置于銅塊上,只允許盛有樣品的模具底部與銅塊接觸,在液氮中以5-10℃/min的速率降溫至懸浮液冷凍。
24、所述步驟3)中,冷凍干燥的溫度為-70~-90℃,冷凍干燥的時間為24-72h。
25、所述步驟4)中,在烘箱中的干燥溫度為60-70℃,干燥時間為2h。
26、本發明的有益效果:
27、(1)本發明的制備方法顯著體現了環保特性,全程摒棄了石油化工基有機物和聚合物的應用,僅產生微量水和二氧化碳排放。更為重要的是,其原料不僅無毒無害,且易于批量獲取,顯著降低了生產成本。所制備的產物完全具備生物質降解的能力,因此,此技術為工業化大規模應用提供了有力支撐,展現了廣闊的應用前景。
28、(2)采用本發明提供的制備方法制備得到的纖維素氣凝膠復合材料具有多尺度分級微介孔蛛網致密結構,同時內部孔結構為各向異性,物理交聯加強各成分之間的氫鍵數量。
29、(3)采用本發明提供的制備方法制備得到的纖維素氣凝膠復合材料具有優異的力學性能,包括優異的抗壓性能以及彈性回復性,極大地提高了產品穩定性,同時具有優異的保溫隔熱性能。
1.一種輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料,其特征在于,所述纖維素氣凝膠復合材料由多尺度微米纖維素與交聯劑復合得到,內部形成分級微介孔結構。
2.根據權利要求1所述的輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料,其特征在于,
3.一種權利要求1~2任一所述的輕質高強高彈保溫隔熱纖維素氣凝膠復合材料的制備方法,其特征在于,包括以下步驟:
4.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,所述步驟1)中:
5.根據權利要求4所述的制備方法,其特征在于,氧化后的纖維素包括氧化棉絨纖維素和氧化微晶纖維素;其中,纖維素中棉絨纖維素的質量含量為13.3wt%-53.3wt%。
6.根據權利要求5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟1)中:
7.根據權利要求5所述的制備方法,其特征在于,所述步驟1)中氧化后的纖維素的制備包括以下步驟:
8.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,所述步驟2)的單向冷凍過程具體為:
9.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,所述步驟3)中,冷凍干燥的溫度為-70~-90℃,冷凍干燥的時間為24-72h。
10.根據權利要求3所述的制備方法,其特征在于,所述步驟4)中,在烘箱中的干燥溫度為60-70℃,干燥時間為2h。