[发明专利]一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用

说明书

本发明涉及一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用，属于气凝胶技术领域，以羽绒、羽毛、废弃蚕丝等天然资源为原料，采用尿素/盐酸胍、乳酸/半胱氨酸等低共熔溶剂液相剥离技术提取再生微/纳米纤维，并以此为前驱体，通过冷冻诱导组装和MTMS化学气相沉积改性方法制备了多功能气凝胶，气凝胶的密度和孔隙率可达5.36mg/cm³和99.63%，具有多尺度纤维网络骨架结构，展现出优异的压缩性能和耐疲劳回弹性，80%应变下的应力高达15.72kPa，且在100次循环后相对高度保持在81%以上，导热系数与环境条件下的空气导热系数相当，气凝胶的表面形成了硅氧烷网络结构，赋予其超疏水性能，水接触角为150.9°，对氯仿表现出较强的吸收能力，倍率高达188.75g/g，而且还具有良好的重复使用性能。

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，具体涉及一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用。

背景技术

生物聚合物气凝胶是一种由天然生物材料制备的新型三维多孔材料，具有是密度低、孔隙率高、比表面积大和可再生性，在药物释放、细胞增殖和组织工程支架等生物医学领域引起了广泛关注。在迄今已知的各种天然生物材料中，再生蛋白更具优势，蛋白由交替的疏水性和亲水性嵌段组成，再生蛋白制备的气凝胶材料可以同时吸附和结合水基和含油污染物分子，具有具有储存容量大的优势。众所周知，羽绒、羽毛、废弃蚕丝等天然资源资源丰富，成本较低，若不加以利用，还将对环境造成污染，为此，国内外学者广泛关注到了再生蛋白的提取及蛋白基新材料的制备，例如CN111850760A一种利用废旧蚕丝制备高取向度丝素纳米纤维纱线的方法等。

与之同时，随着生产生活中含油污或非极性有机溶剂废水的大量排放以及海上原油泄露事故的频繁发生，水中油污染已经对人类健康和生态环境安全产生了严重威胁。因此，如何高效、快速地解决水中油污染问题成为当前亟待攻克的难题。目前，处理水中油污染问题的主要方法有直接燃烧法、物理机械法、生物降解法、化学处理法以及投放吸油材料法。其中，由于投放多孔吸油材料法具有方便、高效以及避免二次污染等优势应用最为广泛。当前，多孔吸油材料主要有高分子海绵（如聚氨酯、聚苯烯）、纳米碳基气凝胶（石墨烯、碳纳米管）、纳米纤维素气凝胶以及最近的MXene基气凝胶等。尽管上述多孔材料展现出优良的吸油性能，但是仍然存在制备工艺复杂、生物降解性差、原料价格昂贵以及力学性能较差等缺点。因此，开发高效、力学弹性优异以及绿色环保的生物质多孔吸油材料，有助于解决油污染问题，缓解能源危机，符合“双碳”目标要求。

再生蛋白基气凝胶是一种典型的生物质多孔材料，具有丰富的物理/化学吸附位点，在环境处理领域展现出广阔的应用前景。不同于无机气凝胶和有机聚合物气凝胶，蛋白气凝胶在传统气凝胶的特性的基础上（如低密度、高孔隙率、高比表面积以及超低的导热系数等），同时还融入了蛋白本身的生物相容性、生物降解性和易于化学修饰等优良性能，是一种具有开发前景的绿色环保型多孔吸附材料。然而，蛋白分子链中含有大量的亲水性嵌段，使其具有较强的吸水能力，将气凝胶材料直接用于水中油污染处理的同时也会吸附大量的水，导致油水选择性不高，处理效率低，严重影响使用效果。通过化学修饰在蛋白分子链上引入疏水性基团是提升蛋白气凝胶吸油性能的有效途径。Maleki等人以聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）为改性剂，通过连续的溶胶-凝胶法制备了吸油性能优异的蛋白-PMSQ复合气凝胶，但制备工艺过于冗长，且传统溶解-再生工艺破坏了天然蚕丝精妙的层次结构，不可避免地会引起再生蛋白气凝胶力学弹性降低，导致其在吸附-挤压过程中吸油能力下降。尽管引入的PMSQ提高了蛋白气凝胶的压缩强度，但是其力学弹性已不再受重视。Shome和Zhou等团队分别采用烷基胺和氧化石墨烯/三聚氰胺改性再生蛋白气凝胶，赋予了其优良的力学弹性。然而，制备的蛋白-烷基胺气凝胶和蛋白-氧化石墨烯/三聚氰胺气凝胶的吸油能力相对较差，两者的最高吸油倍率仅为40g/g和77g/g。

综上所述，将蛋白气凝胶用于水中油污染处理必须具备高吸油能力和优异的力学弹性。然而，目前鲜有关于超弹性、超疏水蛋白气凝胶的制备与吸油性能的报道。本领域技术人员亟待开发一种再生蛋白基高强气凝胶的制备方法及其吸油应用，满足现有的应用需求和性能要求。

发明内容