[发明专利]一种超疏水纤维素纳米纤维气凝胶的制备方法及气凝胶

说明书

本发明涉及一种超疏水纤维素纳米纤维气凝胶的制备方法，具体步骤包括将纤维素纳米纤维溶液超声分散处理，采用浓度为0.1‑6.0M的稀酸水溶液进行凝胶化处理，静置去除未凝固的部分得到纤维素纳米纤维水凝胶，再采用液氮进行定向冷冻，然后进行冷冻干燥，获得纤维素纳米纤维气凝胶；经过复合有机溶液浸泡后再依次加热固化、冷却，获得超疏水纤维素纳米纤维气凝胶。该产品水的接触角为120°‑165°，孔径为30‑80μm，比表面积为200‑500m²/g，密度为10‑40mg/m³。该方法所用原料均对环境无害，且最终产品也具有良好的环境友好性；气凝胶表面的硅烷分布均匀、疏水效果均一、反应条件简单可控、重现性好，便于工业化推广，可广泛应用于水体中油类污染物的吸附分离，能有效清除海洋环境下的溢油。

技术领域

本发明提供一种超疏水纤维素纳米纤维气凝胶及其制备方法，属于纤维素纳米纤维气凝胶技术领域。

背景技术

随着海上石油生产和运输的增加，石油及其衍生产品在海上的泄漏变得越来越频繁，对海洋环境和生活在其中的野生生物造成重大影响，清除海洋环境下的溢油是一项紧迫而艰巨的任务。当前清除海洋溢油策略可分为三类：就地燃烧泄漏原油；应用分散剂将油分散在水中以促进自然降解；采用吸附材料等从水面或水下回收提取石油。其中，采用吸附材料从海水中吸附并收集石油具有操作方法简便、不易造成二次污染的优势。

传统的吸附材料可分为矿物产品、天然生物材料和合成聚合物三大类。其中，矿物产品包括沸石、海泡石和膨胀珍珠岩等；天然生物材料包括棉花、木片、羊毛、蚕茧废料和植物纤维等；合成聚合物包括橡胶、聚丙烯纤维垫、电纺纤维膜、三聚氰胺海绵和聚氨酯海绵等。然而，矿物产品和天然生物材料存在浮力差、对油类物质的选择性差、吸附油类物质的能力低等缺陷；合成聚合物的疏水性、悬浮能力，以及吸附油类物质的能力均较强，但不易降解，以及合成聚合物对油/水选择性(即疏水性和对油类物质的吸附性)的获得有赖于制备过程中SiO₂、Al₂O₃等具有生物毒性的无机纳米粒子的掺杂，掺杂的物质容易对海洋环境以及其中的野生海洋生物造成不利影响。

因此，如何得到一种不易对海洋环境造成负面影响，且具有良好的疏水性、较高的吸附油类物质的能力的材料，对清除海洋环境中的溢油具有重要意义。

发明内容

本发明提出的是提供一种超疏水纤维素纳米纤维气凝胶的制备方法及气凝胶，其目的在于通过定向冷冻和疏水改性处理气凝胶，解决目前的吸附材料无法同时满足具有良好的疏水性，较高的吸附油类物质的能力，且对海洋环境友好的问题。

本发明的技术解决方案：

一种超疏水纤维素纳米纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

1)稀酸凝胶化处理：将纤维素纳米纤维溶液超声分散处理，采用稀酸水溶液进行凝胶化处理，静置，去除未凝固的部分，得到纤维素纳米纤维水凝胶；

2)定向冷冻处理：将所述纤维素纳米纤维水凝胶进行定向冷冻，再进行冷冻干燥，获得纤维素纳米纤维气凝胶；

3)疏水改性处理：将所述纤维素纳米纤维气凝胶采用复合有机溶液浸泡，再依次加热固化、冷却，获得超疏水纤维素纳米纤维气凝胶。

将纤维素纳米纤维溶液通过超声分散，使其中的纤维素纳米纤维分散更为均匀，在稀酸水溶液中进行处理时，不易出现成团等现象。静置后将未凝固的部分，如酸液等去除，才能得到比较纯的纤维素纳米纤维水凝胶。相比较采用碱性溶液进行凝胶化处理的方案，采用稀酸水溶液不易引入金属离子，避免引发离子交联反应，进而也不易导致纤维素纳米纤维气凝胶产生硬结块或者失去弹性的现象。

步骤2)中采用液氮进行定向冷冻再进行冷冻干燥，将纤维素纳米纤维水凝胶中的水充分定向冷冻后，形成各向异性结构，再进行冷冻干燥，更有利于使纤维素纳米纤维气凝胶中出现更多的孔隙，并且冷冻过程中定向生长的冰晶可实现干燥后孔道的定向排布，赋予气凝胶弹簧状结构，进而使气凝胶获得良好的弹性。