[发明专利]交联纳米多孔糖类基材料及其制造方法

说明书

本发明提供了一种以糖类作为结构单元的交联纳米多孔糖类基材料，也称为纳米多孔纳米海绵材料。在一锅中不同比例的糖类与交联剂进行反应，可形成纳米多孔纳米海绵材料。该方法还允许通过使用合适的交联剂和表面接枝剂在该材料上引入新的官能基团，且这些官能基团应能够提供与水、挥发性有机蒸气(VOC)与金属离子的不同相互作用力。与多孔材料相比，由于存在纳米孔或纳米腔，内表面面积更大，纳米多孔纳米海绵糖类基材料应在隔热、保水、疏水整理、除臭性能以及从水或土壤中交换或吸收金属离子中等方面得到广泛应用。纳米多孔纳米海绵材料是环保、可生物降解的，并允许回收或再利用。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月11日提交的美国临时申请第62/763,927号、标题为“包含糊精的多功能超绝缘纳米多孔材料”的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及交联纳米多孔糖类基材料及其制造方法。

背景技术

高度多孔材料在绝热应用中被视为是理想材料，并且对于例如水、挥发性有机蒸气(VOC)、金属离子和脂质来说是优异的吸附材料。这些材料还能够在其多孔腔室中捕获大量气体。

孔径为100纳米及以下的纳米多孔材料是一种「超级绝缘」材料。「超级绝缘」现象运用了克努曾效应，其中空气分子的平均自由径大于纳米孔的直径，这减少了限制在纳米孔中的气体对流；气体分子只会碰撞至孔壁上，而不会与另一个分子碰撞。这在降低气体的热导率以及因而降低绝缘材料的热导率方面具有总体效果。

基于二氧化硅的气凝胶是一种市面上可买到的超级绝热材料，当适当地结合到形状因数中时，其导热系数为0.015W/mK，工作温度范围为摄氏-40度至650度。美国专利公开申请号US8021583B2公开了一种包含气凝胶的毯子，可用作窗户、墙壁、地板等。美国专利公开申请号US9969856B2公开了一种包含水基聚合物和用于隔热的气凝胶的涂料复合材料。

然而，基于二氧化硅的气凝胶遭受障碍时将会限制了隔热材料的应用范围；即遭受复杂的制造过程以及高昂的生产成本、机械强度、粉尘、材料脆性差，以及二氧化硅粉尘可能对呼吸系统造成危害。基于二氧化硅的气凝胶作为吸附剂材料在去除空气和水中污染物方面的应用范围也很有限，二氧化硅气凝胶的不良生物降解性和可重复使用性也是其在消费产品应用中使用它的主要障碍。

仍需要提供一种纳米多孔材料，以克服上述的一种或多种障碍，即提供包含环保和可生物降解的原料、允许回收或再利用的废料、具有增强的机械强度，并且可以结合到涉及简单制造过程的各种形状因素中。

糖类是一种环保及可生物降解的原料。包含β-糖苷键的纤维素及其衍生物可以从例如木浆、稻壳、玉米毂和果壳中提取，并且可以从诸如纸和棉织物的回收材料中提取。包含α-糖苷键的糊精和环糊精可以从淀粉或糖原的水解或酶处理中获得。

美国专利公开申请号US10138346B2公开了一种形成基于多糖的气凝胶及其热性能、吸水和吸油能力的方法。该方法排除将交联剂与纤维素、木质素、半纤维素、几丁质、阿拉伯木聚糖和果胶一起用于形成凝胶多糖。

发明内容

本发明公开了一种交联纳米多孔糖类基材料，其包含糖类作为结构单元(以下也称为纳米多孔纳米海绵材料)。在一锅中不同的糖类与交联剂的比例进行反应允许形成纳米多孔纳米海绵材料。该方法还允许通过使用合适的交联剂和表面接枝剂，在该材料上引入新的官能基团，这些官能基团应能够提供与水、挥发性有机蒸气(VOC)与金属离子的不同相互作用力。与多孔材料相比，由于存在纳米孔或纳米腔，内表面面积更大，纳米多孔纳米海绵糖类基材料应在隔热、保水、疏水整理、除臭性能以及金属离子从水或土壤中交换或吸收中等方面得到广泛应用。纳米多孔纳米海绵材料是环保、可生物降解的，并允许回收或再利用。

本发明的目的之一是提供一种通过一锅法使糖类与交联剂以不同的比例进行反应而制备的交联纳米多孔糖类基材料。干燥该材料将可形成纳米多孔纳米海绵材料。