[发明专利]纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶的制备领域，具体涉及一种具有柔韧性、高强度、抗菌、抗紫外、除味、保温、隔热和隔音性能的纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是具有多孔、海绵状结构的固体，其中约95％的体积是空气，具有超低密度、超大孔隙、超大内表面积、超低导热性、超低声速以及优异的热稳定性和机械性能，在催化、航天、先进材料等领域得到广泛的运用。

二氧化硅气凝胶是一种轻质纳米多孔材料，密度可低达3Kg/m³，孔洞率可高达99％。其纤细的纳米多孔网络结构有效地抑制了固态、气态和辐射热传导，使其成为一种高效轻质的纳米多孔隔热防热材料。它作为一种轻质保温隔热材料在航空、航天、化工、冶金和节能建筑等领域具有广阔的应用前景。然而纯二氧化硅气凝胶对于波段为3～8μm的红外线是透过的，致使纯二氧化硅气凝胶在高温条件下热导率急剧上升，从而限制了纯二氧化硅气凝胶在高温条件下的应用。为了提高二氧化硅气凝胶在高温下的隔热性能，可采用复合或掺杂具有红外阻隔效果的二氧化钛，使复合或掺杂后的二氧化硅气凝胶对辐射热传导起到有效的阻隔作用，以便用作高温下的高效隔热防热材料。中国专利CN 1981925B将表面活性剂改性的二氧化硅溶胶与二氧化钛溶胶混合，制得二氧化钛/二氧化硅气凝胶，但是该气凝胶的强度和柔韧性很差，且原料昂贵，成本较高。

纤维素是地球上最丰富的可再生资源，具有良好的生物相容性和优异的抗张强度。由纤维素经过粘胶法生产再生纤维素纤维、玻璃纸、无纺布已得到非常广泛的应用。纤维素的理论宏观弹性模量(128GPa)比铝(70GPa)和玻璃纤维(76GPa)的宏观弹性模量要高，其理论极限抗拉强度(17.8GPa)是铁的七倍多。中国专利CN 101906233A将纤维素有机凝胶中的有机溶剂置换为丙烯酸系聚合物单体或它们的混合溶液，或将纤维素气凝胶浸置于丙烯酸系聚合物单体或它们的混合溶液中聚合得到纤维素凝胶/丙烯酸系聚合物的组合物。该组合物具有优良的力学性能和柔韧性，但是纤维素容易发霉，同时耐热性能有所欠缺。

目前，以纳米纤维素为核体，先负载上纳米二氧化钛，然后再包覆二氧化硅层，最后经过陈化、老化、疏水、粘合成型和干燥处理，得到纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶未见文献报道。纤维素增强了气凝胶的力学性能和生物相容性，二氧化钛提高了气凝胶的抗菌性能，同时与二氧化硅赋予了气凝胶较高的耐热性能，黏合剂提高了气凝胶的柔韧性，可广泛应用于保暖内衣、防弹衣、保温材料、抗压材料、特种涂料、航空材料等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有柔韧性、高强度、抗菌、抗紫外、除味、保温、隔热和隔音性能的纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶的制备方法。

实现上述目的的技术方案是：以纳米纤维素为核体，先负载上纳米二氧化钛，然后再包覆二氧化硅层，最后经过陈化、老化、疏水、粘合成型和干燥处理，得到纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶。

一种纤维素/二氧化钛/二氧化硅气凝胶的制备工序包括制备纤维素溶胶、表面负载纳米二氧化钛、表面包覆二氧化硅、陈化、老化、疏水化、粘合成型和干燥处理。

本发明具体操作步骤如下：

1、制备纤维素溶胶：将纤维素分散到水中配制成纤维素溶胶，其中纤维素与水的质量比为0.05～0.25∶1；

2、表面负载纳米二氧化钛：在不断搅拌下，将0.5～4.0mol/L的无机钛盐水溶液和0.5～4.0mol/L的碱液加入步骤1的纤维素溶胶中混合反应，反应温度≤50℃，pH≤1.00，然后升温至70～100℃，恒温反应1～10h，得到纳米二氧化钛负载的纤维素溶胶；

3、表面包覆二氧化硅：在不断搅拌下，将0.3～2.0mol/L硅酸盐水溶液加入到纳米二氧化钛负载的纤维素溶胶中进行反应，反应温度维持在75～95℃，反应液加完后，保温熟化0.5～2h，然后用0.5～2.0mol/L碱或者酸的水溶液调节pH至6.00～7.50，再保温熟化0.5～2h，并用去离子水洗涤，得到纤维素/二氧化钛/二氧化硅凝胶；

4、陈化和老化处理：将纤维素/二氧化钛/二氧化硅凝胶陈化1～3d，用无水乙醇为老化溶液，将陈化的凝胶老化1～10d，每天更换无水乙醇一次；

5、疏水化处理：将纤维素/二氧化钛/二氧化硅凝胶置于改性剂与有机溶剂体积比为0.1～8∶1的改性溶液进行疏水改性1～15h，再用无水乙醇清洗凝胶表面；