[发明专利]纤维素/金属氧化物复合气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及气凝胶材料制备技术领域，具体涉及一种制备纤维素复合金属氧化物气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是一种具有纳米结构的多孔材料，其孔隙率高达90%以上，密度最低可至0.001g/cm³，是目前世界上最轻的固体材料之一。它明显不同于孔洞结构在微米和毫米级的多孔材料，具有极大的比表面积。由于其特有的纳米多孔、三维网络结构，使其具有许多独特的性能，尤其表现在高孔隙率、低密度、低热导率等方面，可以广泛应用于隔热材料、透光材料、绝缘材料、隔音材料等领域。

纤维素是目前地球上最丰富的可再生有机资源，其本身无毒，制成的纤维素薄膜废弃后可在自然界中很快分解为CO₂和H₂O，对环境的污染很小，属于环境友好型高分子材料。近年已报道从硫氰酸钙水溶液、N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）、离子液体和NaOH水溶液中制备出纤维素气凝胶，纤维素衍生物如乙酸丁酸纤维素和醋酸纤维素通过交联后也可得到气凝胶。纤维素基气凝胶作为隔热材料在建筑节能方面有着广泛的应用前景。

在气凝胶中添加金属氧化物可以大大扩展其用途，如可以增加复合气凝胶的耐压强度，可以使复合气凝胶具有磁学性能和电学性能，使复合气凝胶在电磁波吸收、薄膜电池电极以及锂离子电池隔膜等方面都有广阔的应用前景。

申请号为CN200810033022.2的专利文献公开了一种过渡金属基气凝胶、过渡金属氧化物气凝胶、复合过渡金属氧化物气凝胶的制备方法，该方法需要长时间的老化，且制备出来的气凝胶产物的SEM图像表明，气凝胶中的固体物质结合较为紧密，孔隙数量少，且孔隙体积小。常规的溶胶-凝胶过程得到的金属氧化物气凝胶强度较低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开了一种纤维素/金属氧化物复合气凝胶的制备方法。本发明以纤维素为骨架，掺入金属氧化物醇盐，制备得到的复合气凝胶具有具有较高的比表面积。

本发明的技术方案如下：

纤维素/金属氧化物复合气凝胶的制备方法，具体制备步骤如下：

（1）制备纤维素膜；

（2）用去离子水洗涤步骤（1）得到的纤维素膜，再用有机溶剂A置换出纤维素膜中的水分；

（3）将步骤（2）得到的纤维素膜浸入到无机金属盐的醇溶液中，同时加入环氧化合物，静置反应，得到纤维素/金属氧化物复合凝胶膜，所述环氧化合物的体积为无机金属盐的醇溶液的体积的5~20%；

（4）用去离子水洗涤步骤（3）得到的凝胶膜，再用有机溶剂B置换出凝胶膜中的水分；

（5）将步骤（4）得到的凝胶膜经冷冻干燥或临界干燥，得到纤维素/金属氧化物复合气凝胶。

步骤（1）制备纤维素膜可以使用铜氨法，或粘胶法，或使用溶解纤维素的溶剂将天然纤维素进行溶解，得到纤维素溶液，再将纤维素溶液流延或涂覆成膜状，通过凝固再生和水洗，制备成纤维素膜。 

所述溶解纤维素的溶剂为：氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吗啉氮氧化物/水、氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钠/尿素、氢氧化钠/硫脲、氢氧化钠/尿素/硫脲、氢氧化锂/尿素、氢氧化锂/硫脲、氢氧化锂/尿素/硫脲、氢氧化钠/聚乙烯醇、氢氧化锂/聚乙烯醇、氢氧化钠/尿素/ZnCl₂、氢氧化锂/尿素/ZnCl₂中的一种。

当采用的天然纤维素的聚合度为450~550、使用NaOH/尿素或LiOH/尿素溶剂体系来溶解天然纤维素时，制备得到的纤维素溶液的浓度控制在4wt%～6wt%；当采用的天然纤维素的聚合度为450~550、使用LiCl/DMAC溶剂体系来溶解天然纤维素时，制备得到的纤维素溶液的浓度控制在6wt%～12wt%。

所述步骤（2）的有机溶剂A及步骤（4）所述有机溶剂B分别为甲醇、乙醇、丙酮中的一种。