[发明专利]一种基于双网络结构设计制备气凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种基于双网络结构设计的气凝胶的制备方法。本发明通过自由基聚合采用一步或两步法加入海藻酸钠，形成聚丙烯酰胺化学交联网络互穿海藻酸钠结构的凝胶溶液，然后将凝胶挤入到凝固浴中，成形微球或纤维等形态，同时通过离子交换生成海藻酸钙离子交联，最终生成化学交联和离子交联互锁的双网络结构水凝胶。经水洗、冷冻干燥，最后得到气凝胶。气凝胶呈现出具有大孔嵌套介孔和微孔的微观多层次孔结构。本发明利用海藻酸钠与丙烯酰胺制得复合气凝胶，不仅扩展了气凝胶材料在实际生产中的应用，而且与其他气凝胶材料相比，具有经济环保、生物相容性和降解性良好等突出特点，不仅可以加工成微球、块状，而且可直接制得纤维形态。

技术领域

本发明属于材料领域，尤其涉及一种海藻酸钠与丙烯酰胺复合气凝胶的制备方法和应用。

背景技术

气凝胶是纳米多孔材料。由于其导热性低，密度低，孔隙率高，比表面积大等特点，因此广泛应用于吸附剂，绝缘材料和其他领域。基于聚合物的气凝胶可以设计成多层结构，并且比其它气凝胶更有优势，例如二氧化硅气凝胶，碳纳米管气凝胶，间苯二酚甲醛气凝胶和藻类等生物聚合物气凝胶的来源广泛，可再生性好，成本低，无毒，因此，他们越来越受到重视。

聚合物气凝胶则利用化学或物理交联网络制备，可通过多级结构调控，产生可能更广泛的属性；生物质气凝胶因其来源广泛，可再生，成本低，无毒性，显现更广泛的应用前景。

海藻酸钠是从海藻中提取的一种天然高聚物，来源广泛，成本较低，不会对环境造成二次污染。然而以海藻酸钠为原料制备的纤维缺乏强度和弹性，机械性能差，冷冻干燥后，纤维趋于塌陷，孔结构不易保留。为了控制凝胶的微观结构，提高纤维前体的可纺性，减少干燥时的体积收缩，双网络互锁结构得以提出，能兼具两种物质的性能，性能优异，更为多个领域的突破带来希望。常规下制造的海藻酸钠气凝胶力学强度达不到吸附和隔热方面的应用要求，而其它传统气凝胶目前仍存在强度低、弹性差、存在有害物质制作成本高、有粉尘释放的缺陷和易导致孔结构破坏等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海藻酸钠与丙烯酰胺复合气凝胶的制备方法，该方法可使海藻酸钠与聚丙烯酰胺形成双网络结构，改善了以海藻酸钠为原料制备的纤维缺乏强度和弹性，机械性能差，冷冻干燥后，纤维趋于塌陷，孔结构不易保留环保的问题。本发明不仅扩大海藻酸应用，发展天然高分子，而且促进了海藻酸从海洋生物中的生产提取，推动了我国产业发展和转型升级。

一种基于双网络结构设计制备气凝胶的方法，包括如下步骤：

(1)制备凝胶溶液：可分为一步法或两步法：

海藻酸钠的质量浓度为2％～5％，丙烯酰胺或其衍生物单体占海藻酸钠的质量分数为30～75％，交联剂和引发剂分别占丙烯酰胺或其衍生物单体的质量分数的2～6％和4～12％；

一步法：将海藻酸钠、丙烯酰胺或其衍生物单体、交联剂和引发剂溶于去离子水中，密封条件下在50～70℃匀速搅拌3h；

两步法：先将丙烯酰胺或其衍生物单体、交联剂和引发剂溶于去离子水中，密封条件下在50～70℃匀速搅拌0.5h，再向其加入海藻酸钠，继续匀速搅拌2.5h；

将上述得到的溶液进行冷藏、静置和脱泡，以作为凝胶溶液；

(2)将步骤(1)得到的凝胶溶液挤入到质量浓度为2～5％CaCl₂或CuSO₄溶液的凝固浴中，其中喷孔孔径为1.2～1.9mm、凝固时间为5～15min，凝固后经去离子水洗净后，放在去离子水中以保持纤维状或球状水凝胶的膨胀状态；

所述纤维状水凝胶则在凝固浴中从喷孔中挤出，挤出速率为7～9mm/min；

所述球状水凝胶则在喷孔与凝固浴高度为15～20cm处从喷孔中挤出并落入凝固浴中，挤出速率为3～6mm/min；