[发明专利]一种三维纤维基气凝胶材料的制备方法及其制品

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维纤维基气凝胶材料的制备方法及其制品，特别是涉及一种是由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶材料及其制备方法。

背景技术

气凝胶是一种用气体代替凝胶中液体形成的一种高分散固态材料，是目前已知密度最小的固体材料之一。气凝胶根据成分的不同可分为无机气凝胶、有机气凝胶和无机/有机复合气凝胶，其制备方法主要是通过溶胶-凝胶技术与超临界干燥技术相结合，获得由胶体或高聚物微小粒子相互聚结构筑的三维多孔网络状材料。气凝胶材料具有孔隙率高、比表面积大、密度低、热传导系数低、掺杂吸附能力强等优点，在能源、信息、环保、医药、农药、冶金、催化以及基础科学研究等领域都具有广阔的应用前景。

另一方面，含有纤维结构的气凝胶材料作为一种新型的轻质功能材料，在具备传统无机粒子型气凝胶特性的同时兼具了纤维结构的独特优势，如力学柔韧性好、孔隙连通性高、结构可控及介质传输效率高等，显著提升了气凝胶材料在电子信息、环境治理、清洁能源及生物医学等领域的应用性能，成为了当前气凝胶材料研究的热点之一。国内专利CN102747559、CN102557578分别公开了聚合物纤维/三氧化二铝、碳纳米纤维/二氧化硅复合纤维基气凝胶的制备方法，国外文献[Cellulose-Silica Nanocomposite Aerogels by In Situ Formation of Silica in Cellulose Gel.[J].Angewandte Chemie International Edition,2012,51:2076～2079]报道了一种高孔隙率纤维素纤维/二氧化硅复合纤维基气凝胶的制备方法。但上述方法中纤维均作为填充材料加入无机溶胶前躯体中，所制备的气凝胶本质上仍然是一种粒子型气凝胶，纤维在材料结构中仅作为增强组分存在，从而使材料难以体现出纤维结构的优点及功能特性。此外，上述方法都需要首先制备出无机前躯体溶胶，导致其存在制备工艺复杂、耗时长、原料选择范围窄等不足。日本专利P2006-75235A公开了一种醋酸纤维素纤维/聚乳酸复合气凝胶材料的制备方法，其中聚乳酸以喷涂形式与纤维构成复合型纳米气凝胶，该材料结构仍然是一种以聚乳酸微小粒子聚集构成的气凝胶材料，且喷涂方法难以实现聚乳酸粒子与纤维的均匀复合，材料的孔隙结构难以控制。国外文献[Highly conductive and stretchable conductors fabricated from bacterial cellulose.[J].NPG Asia Materials2012,4,e19]报道了一种将细菌纤维素直接干燥制备纤维基气凝胶材料的方法，但该方法只可适用于细菌纤维素原料，材料尺寸上难以突破细菌纤维素原料结构的纤维，且由于细菌纤维素纤维具有极强的亲水性与氢键作用，存在力学强度较差、无回弹性、吸潮后易变形等缺陷。因此上述专利公开的方法均难以实现全纤维结构气凝胶材料的可控制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维纤维基气凝胶材料的制备方法及其制品，特别是提供一种是由一维纤维经三维网络重构方法获得的三维纤维基气凝胶材料及其制备方法。

本发明的一种三维纤维基气凝胶材料的制备方法，具体步骤为：

第一步：将纤维分散在对其不具有溶解性的溶剂中，形成悬浊液，根据材料面向的应用需求所得悬浊液分为均相分散和非均相分散；对于组织工程、催化等需要材料具有均匀结构的应用领域宜采用均相分散，对于隔热、吸声等需要材料具有非均匀结构的应用领域宜采用非均相分散；

第二步：将所述悬浊液进行凝固化处理，使悬浊液形成凝固块，凝固化处理使悬浊液中溶剂凝固形成凝固体，固化后的溶剂填充于纤维网络间将分散于其中的纤维的空间位置固定住，形成所需的体型结构；

第三步：脱除所述凝固块中凝固的溶剂，形成未交联纤维基气凝胶，使空气替代原来溶剂所占的空间并保持纤维原有的空间结构不变。

第四步：将所述未交联纤维基气凝胶进行交联稳定化处理，获得纤维交错点粘结固定的三维纤维基气凝胶材料，纤维交错点间依靠非氢键键合作用实现有效的粘结互连，构筑了稳定的三维纤维网络结构，同时赋予三维纤维基气凝胶材料良好的力学性能和压缩回弹性能。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种三维纤维基气凝胶材料的制备方法，所述悬浊液中，纤维的质量分数为0.01～50%。