一種疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法，所述材料以纖維素為原料，制備纖維素水凝膠和氣凝膠，包括配制纖維素溶劑、水凝膠制備、干燥、疏水改性步驟。本發明專利技術的隔熱材料孔隙率達71.4～84.88%，密度為0.23～0.37g/cm3，抗壓強度可達5.7～8.2×103kPa。本發明專利技術制備后的材料不僅綠色環保，而且具有高孔隙率、較強的力學性能、低導熱系數等優點。本發明專利技術材料在-100℃～80℃范圍內，材料性能穩定，導熱系數最低可達0.029W/（m·K）。所述材料良好的隔熱性能，在民用工業、特殊要求的中低溫熱保護領域具有廣泛的應用前景，同時，也為多糖類氣凝膠材料在隔熱領域的應用提供了依據。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及功能材料領域，也屬于天然高分子領域，化學、環境工程領域。尤其涉及一種疏水性纖維素氣凝膠塊狀隔熱材料及其制備方法。
技術介紹
隨著社會經濟生活的迅速發展，能源的需求量越來越大。但是以石油為主的非可再生資源日益減少，石化能源的短缺以及其對環境巨大的壓力，嚴重的制約了人類的發展。因此，低能耗、綠色環保能源成為關注的焦點。高效率、低成本的隔熱材料技術是應對能源問題的一個重要應用，在諸多領域有重要用途。氣凝膠是一種具有獨特孔隙結構的凝膠材料，表現出很多獨特的性質，如低密度、高孔隙率、高比表面積、納米的空隙尺寸、高聲空性以及低導熱性等一系列重要性質，其在許多領域有著廣泛的應用前景。俄羅斯的“和平”號空間站使用SiO2氣凝膠作為熱防護材料；美國NASA火星探測器使用氣凝膠作為超級隔熱材料；F-22型飛機發動機使用氣凝膠作為熱屏蔽結構；墨西哥灣氣凝膠作為海底石油防護管等。氣凝膠材料主要包含無機氣凝膠材料和有機氣凝膠材料。無機氣凝膠材料主要以硅凝膠為代表，如CN1329333C、CN1803602A、ZL200510031952.0。但是無機氣凝膠所采用的干燥方法復雜，價格昂貴且易碎，需要經過填充和復合才能使用，一直成為其工業化生產的難題。相對于無機氣凝膠而言，有機氣凝膠在一定程度上克服了無機氣凝膠的易碎性，具有易加工、韌性好的特點，成為研究的熱點。但傳統有機氣凝膠的反應物具有毒性，且所獲得的聚合物氣凝膠在拋棄后無法降解，會帶來新的環境問題。因此近年來，纖維素氣凝膠作為新生的第三代材料，超越了硅氣凝膠和傳統聚合物氣凝膠，引起了人們的極大關注。纖維素是自然界中分布廣泛、含量豐富的一種多糖，具有來源廣泛、可再生、易降解和綠色無污染等特點，這使得纖維素氣凝膠材料在具備傳統氣凝膠特性的同時融入了自身的優異性能。在纖維素氣凝膠的制備中，由未改性的纖維素直接制備的氣凝膠，避免了纖維素衍生物在制備氣凝膠時采用工藝復雜、不易控制的化學交聯方法，具有極大的優勢。如Phisalaphong?M在《Novel?nanoporous?membranes?from?regenerated?bacterial?cellulose》Appl?Polym?Sci,2008,?107:?292-299公布的一種纖維素凝膠膜。就目前而言，多糖類氣凝膠在隔熱領域的研究鮮見報道；同時，多糖類氣凝膠易吸濕的特性也制約了其在隔熱領域的應用。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供了一種隔熱性能良好，綠色環保，制備成本低，具有良好力學性能的疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料。本專利技術進一步的目的在于提供一種對設備要求簡單，操作安全的疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法。同時，多糖類氣凝膠富含親水基團、具有較大的比表面積和多孔結構，使其易吸附空氣中的水蒸氣，破壞其原有的隔熱性能，冷等離子體疏水改性在很大程度上克服了這一缺陷，使多糖類氣凝膠在隔熱保溫領域擁有更廣泛的應用。　為了實現上述目的，本專利技術的技術方案為：提供一種疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法，包括以下步驟：（1）纖維素溶劑配制：以NaOH、硫脲、水作為纖維素溶劑體系，在一定配比的溶劑中，將NaOH?5.5～11.5wt%，硫脲3.0～6.0wt%，水82.5～91.5wt%攪拌混合；（2）纖維素溶解：將2.0～5.0wt%的纖維素分散加入步驟（1）配制的纖維素溶劑中，注入模具中，以750r/min攪拌，使纖維素分散均勻后25℃超聲45min，在低溫-10～-18℃下冷凍24h；（3）纖維素水凝膠的制備：將步驟（2）凍結后的纖維素溶液在室溫下放置、解凍，浸泡在60℃無水乙醇中45min后，洗去溶劑殘余，得到纖維素水凝膠；（4）纖維素氣凝膠的制備：將步驟（3）制備后的纖維素水凝膠經冷凍干燥得到塊狀纖維素氣凝膠，其中冷凍干燥的溫度為-80℃，壓強為20～100Pa;（5）疏水性纖維素氣凝膠的制備：使用冷等離子體改性處理儀對步驟（4）制備的纖維素氣凝膠進行改性，將沒有經過處理的纖維素氣凝膠放在樣品架上，抽真空，當真空度達到最低點時，將氣體介質充入到反應器中；當真空度達到一個恒定的值時，把等離子體功率調節到所需的值，起輝，調節匹配器直至反射功率最小，在規定的功率和時間下放電后，就得到了疏水性纖維素氣凝膠。所述步驟（5）采用冷等離子改性，將等離子體充入到反應器中，在功率0~100w，時間0~60min，放電后，即可得到疏水性纖維素氣凝膠；等離子體可以選用CO2、O2、He、NO、N2、CF4、CCl4、CHF3、CH4、SF6氣體介質產生。特別優選氟化物氣體。所述纖維素原料選用棉短絨纖維素、細菌纖維素、蔗渣纖維素、漿粕纖維素或樹脂纖維素。纖維素原料特別選用Mη≤1.2×105的纖維素。上述氣凝膠材料中，由SEM（圖1）結果發現纖維素氣凝膠結構具有空間三維網絡結構，一級結構由纖維素鏈相互連接形成的空間網絡，二級結構在纖維素的表面形成孔隙結構；纖維素溶解為直接溶解，溶解過程發生了纖維素I到纖維素II的相轉變，在凝膠形成過程中，分子內和分子間是隨機的交聯，而不是有序的包裝鏈結構。圖1為纖維素氣凝膠500倍（a）、5000倍（b）SEM圖譜；上述氣凝膠材料制備過程中，在水凝膠的形成階段，加入60℃無水乙醇，改進了凝膠制備的工藝，縮短了63%的凝膠時間，增強了水凝膠2.3%的機械強度。上述氣凝膠材料中，使用的NaOH、硫脲和H2O溶劑體系，各成分的質量百分含量對氣凝膠的凝膠時間和導熱系數有顯著影響。凝膠時間決定了凝膠反應的速率，表現為凝膠反應的難易程度；而導熱系數的大小反映該材料結構對隔熱效率的影響。由表1可知，當溶劑體系為9.5wt%NaOH和4.5wt%硫脲，纖維素含量為5wt%時，凝膠時間最短為47min、導熱系數也僅為0.032?W/（m·k）。纖維素塊狀氣凝膠具有較低的密度，且密度受纖維素含量的影響很大，在纖維素含量為3?wt%時，密度達到最小0.233g/cm3。受纖維素含量的影響,?纖維素塊狀氣凝膠抗壓強度最高可達8.2×103kPa，相比無機氣凝膠材料具有較好的抗壓性能；纖維素塊狀氣凝膠具有較高的孔隙率71.4～84.9%，孔隙率也受到纖維素含量的影響。上述氣凝膠材料中，決定其隔熱性能的直接參數是導熱系數。導熱系數的大小受到氣凝膠密度（本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：（1）纖維素溶劑配制：以NaOH、硫脲、水作為纖維素溶劑體系，在一定配比的溶劑中，將NaOH？5.5～11.5wt%，硫脲3.0～6.0wt%，水82.5～91.5wt%攪拌混合；（2）纖維素溶解：將2.0～5.0wt%的纖維素分散加入步驟（1）配制的纖維素溶劑中，注入模具，以750r/min攪拌，使纖維素分散均勻后25℃超聲45min，在低溫？10～？18℃下冷凍24h；（3）纖維素水凝膠的制備：將步驟（2）凍結后的纖維素溶液在室溫下放置、解凍，浸泡在60℃無水乙醇中45min后，洗去溶劑殘余，得到纖維素水凝膠；（4）纖維素氣凝膠的制備：將步驟（3）制備后的纖維素水凝膠經冷凍干燥得到塊狀纖維素氣凝膠，其中冷凍干燥的溫度為？80℃，壓強為20～100Pa;（5）疏水性纖維素氣凝膠的制備：使用冷等離子體改性處理儀對步驟（4）制備的纖維素氣凝膠進行改性，將沒有經過處理的纖維素氣凝膠放在樣品架上，抽真空，當真空度達到最低點時，將氣體介質充入到反應器中；當真空度達到一個恒定的值時，把等離子體功率調節到所需的值，起輝，調節匹配器直至反射功率最小，在規定的功率和時間下放電后，就得到了疏水性纖維素氣凝膠。...

【技術特征摘要】
1.一種疏水性塊體狀纖維素氣凝膠隔熱材料的制備方法，其特征在于包
括以下步驟：
（1）纖維素溶劑配制：
以NaOH、硫脲、水作為纖維素溶劑體系，在一定配比的溶劑中，將Na
OH?5.5～11.5wt%，硫脲3.0～6.0wt%，水82.5～91.5wt%攪拌混合；
（2）纖維素溶解：
將2.0～5.0wt%的纖維素分散加入步驟（1）配制的纖維素溶劑中，注
入模具，以750r/min攪拌，使纖維素分散均勻后25℃超聲45min，在低
溫-10～-18℃下冷凍24h；
（3）纖維素水凝膠的制備：
將步驟（2）凍結后的纖維素溶液在室溫下放置、解凍，浸泡在60℃無
水乙醇中45min后，洗去溶劑殘余，得到纖維素水凝膠；
（4）纖維素氣凝膠的制備：
將步驟（3）制備后的纖維素水凝膠經冷凍干燥得到塊狀纖維素氣凝膠
，其中冷凍干燥的溫度為-80℃，壓強為20～100Pa;
（5）疏水性纖維素氣凝膠的制備：<...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧凌彬，石建軍，苗維勝，孟方，成一，曹陽，龍波，
申請(專利權)人：海南大學，
類型：發明
國別省市：