一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶及其制备方法，目的使得气凝胶材料既具有超疏水性能，又具有低密度、低热导率。本发明专利技术超疏水型壳聚糖杂化气凝胶以壳聚糖、聚乙烯醇、纳米纤维素为主要原料，加入交联剂，通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种保温隔热材料及其制备方法，尤其涉及一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着我国工业化和城镇化的高速发展，建筑面积日益增多，随之而来的建筑能耗和环境污染等问题日益严重。建筑保温隔热材料特别是高效的保温隔热材料是缓解建筑能耗和促进经济可持续发展的重要途经之一。气凝胶材料是一种新型的高效保温隔热材料，已经在航空航天及民用保温隔热领域获得了实际应用，目前常用的SiO2气凝胶材料自身存在质脆易碎，易掉粉掉渣的缺点，且SiO2气凝胶复合材料制备工艺相对复杂，制备成本高，阻碍了其在建筑领域的广泛应用。因此，研发和生产环境友好、低成本的高性能保温隔热材料具有极其重要的意义。
[0003]壳聚糖气凝胶材料是一种新型的生物质气凝胶保温隔热材料，其主要原料壳聚糖是自然界第二大天然高分子材料甲壳素的衍生物，其自身原料来源丰富，且具有环境友好、可再生等优点，结合气凝胶轻质、低热导率的特点，壳聚糖气凝胶在低碳环保、保温隔热领域具有无可比拟的优势。目前，已报道的壳聚糖气凝胶大多应用在生物医药、吸附和催化等领域，应用于保温隔热材料领域的介绍有所欠缺。例如，中国专利CN111195508A公开了一种结构有序壳聚糖/纳米纤维素复合气凝胶及其制备方法，该专利技术使用冷冻干燥的方法先制备壳聚糖气凝胶，再将壳聚糖气凝胶与纳米纤维素复合，得到长程有序结构与蜂窝状结构构筑的壳聚糖/纳米纤维素复合气凝胶，但该方法制备的气凝胶未提及疏水性能、密度和常温常压热导率；[Carbohydrate Polymers,2022,288,119370]报道了一种超疏水纳米纤维素/壳聚糖复合气凝胶，通过紫外线诱导的硫醇
‑
烯点击反应将二甲基硅氧烷原位聚合在各向异性的纳米纤维素/壳聚糖气凝胶基体上，使复合气凝胶具备超疏水性能，疏水角最低为116.8
°
，最高为168
°
。但其制备的复合气凝胶力学性能较差且常温常压热导率偏高，部分在0.04W/m
·
K以上，不利于应用在保温隔热领域。由此壳聚糖气凝胶材料若能在满足轻质和低常温常压热导率的基础上，兼具超疏水性能，将具有无可比拟的优势和广阔的应用前景。但如何使壳聚糖气凝胶的轻质、低常温常压热导率和超疏水性能相互匹配，是保温隔热领域仍未涉及的一项技术难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是针对现有气凝胶材料无法做到既具有疏水性能，又具有低密度、低热导率的问题，提供一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶及其制备方法，使得气凝胶材料兼具轻质、低密度和超疏水等优点。
[0005]本专利技术超疏水型壳聚糖杂化气凝胶，是以壳聚糖(溶液浓度为0.5～2 wt.％)、聚乙烯醇(溶液浓度为2～6wt.％)、纳米纤维素(固含量为1～5wt.％) 为主要原料，按照质量比为1:0.4～0.7:0.05～0.2混合均匀，再加入交联剂(溶液浓度为6～10wt.％)，通过溶
胶—凝胶的方法制备壳聚糖凝胶，经过程序升温老化、溶剂置换和CO2超临界流体干燥后，再经疏水处理制备而成。
[0006]本专利技术超疏水型壳聚糖杂化气凝胶具有纳米多孔三维网络结构、低密度、低热导率和超疏水的特点，是一种新型杂化气凝胶材料。
[0007]本专利技术超疏水型壳聚糖杂化气凝胶制备方法包括以下步骤：
[0008]第一步，制备壳聚糖溶液，方法是：
[0009]将壳聚糖溶解在乙醇和水的混合溶剂中，搅拌溶解得到壳聚糖溶液；
[0010]所述壳聚糖脱乙酰度为55％～99％，粘度为100～500mPa
·
s，壳聚糖溶液浓度为0.5～2wt.％，优选壳聚糖脱乙酰度≥70％，粘度为100～200mPa
·
s，壳聚糖溶液浓度为0.8～1.5wt.％；
[0011]所述乙醇的纯度99.5％～99.9％，混合溶剂中乙醇和水的体积比为 1:0.5～1.5，优选乙醇和水的体积比为1:0.5～1；
[0012]第二步，制备壳聚糖溶胶，方法是：
[0013]将聚乙烯醇溶液和纳米纤维素混合均匀后加入到第一步制备的壳聚糖溶液中；再加入交联剂溶液，搅拌均匀使混合溶液发生交联聚合，得到壳聚糖溶胶；
[0014]所述聚乙烯醇溶液的醇解度为70％～99％，粘度为20～110mPa
·
s，浓度为 2～6wt.％，优选聚乙烯醇溶液的醇解度为87～89mol％，粘度为80～110mPa
·
s，浓度为3～5wt.％；
[0015]所述纳米纤维素固含量为1～5wt.％，长径比为20～50，优选固含量为1～3 wt.％，长径比为30～40；
[0016]所述交联剂溶液中交联剂为甲醛、戊二醛、邻苯二甲醛中的任一种，浓度为 6～10wt.％；优选甲醛，浓度为8～10wt.％；
[0017]第三步，制备终态壳聚糖杂化凝胶，方法是：
[0018]将第二步制备的壳聚糖溶胶静置，得到壳聚糖杂化凝胶，再将壳聚糖杂化凝胶放于水浴锅中程序升温老化。程序升温的步骤是从室温(25℃)依次升至 45℃、55℃、65℃、75℃，升温速率为4～5℃/h。每个阶段用有机溶剂置换一次并保温2h，在温度升到75℃并保温2h后，得到终态壳聚糖杂化凝胶；
[0019]所述溶剂置换采用的有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇中的任一种，优选乙醇，纯度99.5％～99.9％；
[0020]第四步，制备壳聚糖杂化气凝胶，方法是：
[0021]将第三步中获得的终态壳聚糖杂化凝胶进行CO2超临界流体干燥获得壳聚糖杂化气凝胶；
[0022]所述CO2超临界流体干燥的压力为8～18MPa，温度为40～80℃，干燥时间 6～18h，干燥完成后以100～240kPa/min的速度释放压力。优选超临界状态的压力为15～17MPa，温度为50～60℃，干燥时间8～14h，释放压力速度为120～175 kPa/min；
[0023]第五步，制备超疏水型壳聚糖杂化气凝胶，方法是：
[0024]将第四步得到的壳聚糖杂化气凝胶和疏水剂置于疏水罐中，保持温度在 50～80℃，进行疏水处理持续4～12h，得到超疏水型壳聚糖杂化气凝胶。
[0025]所述疏水剂为甲基三甲氧基硅烷、三乙氧基氟硅烷、全氟癸基三乙氧基硅烷中的
任意一种，浓度为20～40wt.％；优选全氟癸基三乙氧基硅烷，浓度为25～35 wt.％。
[0026]采用本专利技术可以得到以下技术效果：
[0027]1.本专利技术超疏水型壳聚糖杂化气凝胶制备方法，第二步和第三步交联剂中醛基和壳聚糖分子中的氨基发生缩醛反应，引入高分子聚合物聚乙烯醇，纳米纤维素使各分子之间发生相互作用，增强壳聚糖凝胶的骨架网络结构，再经程序升温、保温、老化，进一步提高壳聚糖杂化气凝胶的交联密度和骨架强度， CO2超临界流体干燥方式保持了壳聚糖杂化气凝胶多孔网络结构，使得壳聚糖杂化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶，其特征在于超疏水型壳聚糖杂化气凝胶是以壳聚糖、聚乙烯醇、纳米纤维素为主要原料，按照质量比为1:0.4～0.7:0.05～0.2混合均匀，再加入交联剂，通过溶胶—凝胶的方法制备壳聚糖凝胶，经过程序升温老化、溶剂置换和CO2超临界流体干燥后，经疏水处理制备的具有纳米多孔三维网络结构的杂化气凝胶；所述壳聚糖溶液浓度为0.5～2wt.％。2.如权利要求1所述的一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶，其特征在于聚乙烯醇溶液浓度为2～6wt.％，纳米纤维素固含量为1～5wt.％，所述交联剂溶液浓度为6～10wt.％。3.一种制备如权利要求1所述的一种超疏水型壳聚糖杂化气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，制备壳聚糖溶液，方法是：将壳聚糖溶解在乙醇和水的混合溶剂中，搅拌溶解得到壳聚糖溶液；所述壳聚糖脱乙酰度为55％～99％，粘度为100～500mPa
·
s，所述壳聚糖溶液浓度为0.5～2wt.％；所述乙醇和水的混合溶剂中乙醇和水的体积比为1:0.5～1.5；第二步，制备壳聚糖溶胶，方法是：将聚乙烯醇溶液和纳米纤维素混合均匀后加入到第一步制备的壳聚糖溶液中；再加入交联剂溶液，搅拌均匀使混合溶液发生交联聚合，得到壳聚糖溶胶；所述聚乙烯醇溶液的醇解度为70％～99％，粘度为20～110mPa
·
s，浓度为2～6wt.％；所述纳米纤维素固含量为1～5wt.％，长径比为20～50；所述交联剂溶液中交联剂为甲醛、戊二醛、邻苯二甲醛中的任一种，浓度为6～10wt.％；第三步，制备终态壳聚糖杂化凝胶，方法是：将第二步制备的壳聚糖溶胶静置，得到壳聚糖杂化凝胶，再将壳聚糖杂化凝胶放于水浴锅中程序升温老化；程序升温的步骤是从室温依次升至45℃、55℃、65℃、75℃，每个阶段用有机溶剂置换一次并保温一段时间，在温度升到75℃并保温一段时间，得到终态壳聚糖杂化凝胶；第四步，制备壳聚糖杂化气凝胶，方法是：将第三步中获得的终态壳聚糖杂化凝胶进行CO2超临界流体干燥获得壳聚糖杂化气凝胶；第五步，制备超疏水型壳聚糖杂化气凝胶，方法是：将第四步得到的壳聚糖杂化气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思钊，肖芸芸，路昆明，徐光羽，杨周元，何君鹏，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：