【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气凝胶领域，涉及一种具有多取向孔道的气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
1、气凝胶作为一种具有独特结构和性能的材料，在多个领域都展现出了广阔的应用前景和巨大的研究价值。深入研究气凝胶的制备技术、孔道结构调控以及性能优化等方面，不仅有助于推动材料科学的进步，还能为能源、环保、生物医疗等领域提供新的解决方案和实现突破。因此，气凝胶的研究具有重要的现实意义和科学价值，值得我们继续投入更多的精力和资源进行深入探索。
2、传统气凝胶的孔道往往呈现出无序或短程有序的状态，缺乏明确和一致的取向。这种孔道结构限制了气凝胶在流体传输、物质吸附和能量存储等方面的性能。例如，在电容去离子技术中，无序的孔道结构可能导致带电物质在电极中的迁移受阻，进而影响吸附速率和处理效率。
3、为解决上述问题，专利申请cn109485906b专利公开了一种高度取向纤维素气凝胶及其制备方法，通过定向冷冻法制备得到具有取向孔道结构的气凝胶。然而，这种方法制备的气凝胶孔道取向单一，这极大地限制了其进一步的应用和发展。这种单一取向的孔道结构导致气凝胶在面临复杂多变的实际应用环境时，往往无法充分发挥其性能优势，甚至在某些特定场景下表现出明显的不足。
4、因此，为了拓宽气凝胶的应用领域并提升其性能表现，亟需打破孔道取向单一的局限，研发出具有更复杂、更多样化孔道结构的新型气凝胶材料。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，将亲水纤维材料和疏水纤维材料分散在水中，经剪切机剪切得到纤维悬浮液后，将纤维悬浮液冷冻至完全冻结，冷冻干燥后得到气凝胶；
4、多取向孔道为网格孔道或各向异性阶梯孔道；亲水纤维材料的水接触角为0°～20°，剪切刚度为10～20，长径比≤10；疏水纤维材料的水接触角为130°～150°，剪切刚度为0.1～0.5，长径比≥40；亲水纤维材料与疏水纤维材料的质量比比值≥1；剪切机的剪切速率为20000～25000rpm；冷冻时的过冷度(过冷度是晶体的理论结晶温度与实际给定的结晶现场温度的差值，过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度)≥5.5℃。
5、作为优选的技术方案：
6、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，亲水纤维材料的长径比为1～10，疏水纤维材料的长径比为40～80。
7、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，亲水纤维材料为纤维素纤维或纤维素衍生物纤维(例如羧甲基纤维素纤维、羟丙基纤维素纤维)。
8、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，疏水纤维材料为热塑性聚氨酯纤维、聚乳酸纤维或聚己内酯纤维。
9、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，纤维悬浮液中，亲水纤维材料的含量为0.5～0.75wt％。
10、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，纤维悬浮液中还含有0.25～2wt％的表面活性剂，如此可调节表面能，进而调控孔道结构的尺寸。
11、如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，将纤维悬浮液冷冻至完全冻结是指将纤维悬浮液在-50～-196℃下静置0.2～8h。
12、本专利技术还提供一种具有多取向孔道的气凝胶，采用如上任一项所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法制得。
13、本专利技术还提供如上所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的应用，用作轻质高强复合材料、气凝胶基电极材料、能源存储与转换材料、吸波透波材料、建筑防火隔热材料、污水处理和海水淡化材料、单向导湿材料、微电子或保水剂；
14、当用作轻质高强复合材料、气凝胶基电极材料、能源存储与转换材料时，可选用具有网格孔道的气凝胶，因为这种孔道的排列方向有序，稳定性好，使其在受到外力作用时能够更有效地分散和传递应力，从而赋予材料轻质高强的特性，可应用于航空航天、汽车制造等领域；网格孔道结构可以实现从微孔到介孔甚至大孔的多种孔径组合，为不同尺度的物质传输和化学反应提供了可能，能够促进电极材料中离子的快速迁移，从而提高电池的能量密度和充放电速率；
15、当用作吸波透波材料、建筑防火隔热材料、污水处理和海水淡化材料、单向导湿材料、微电子、保水剂时，可选用具有各向异性阶梯孔道的气凝胶，因为这种孔道结构通过引入不同的填料或功能组分，各向异性阶梯孔道结构可以实现多功能化，如导电、导热或吸波、透波等，不同取向通道可以响应不同频率的电磁波，从而对特定频段的电磁波具有高吸收率(吸波)，而对其他频段的电磁波则具有良好的透过性(透波)，可应用于隐蔽伪装军事防御领域；各向异性阶梯孔道结构也因其可同时具备隔热性和阻燃性，被应用于建筑材料和防火材料中，提供额外的安全保障；这种结构可用于污水处理和海水淡化，亲水层方向有助于水分子的吸附和传输，而疏水层方向则可以有效阻挡污染物和盐分的透过，提供更高的分子传输效率和更好的选择性，有助于更有效地分离盐分和其他杂质；这种结构可用于微流控芯片的设计，亲水层有助于液体的流动和混合，而疏水层则可以用来分隔不同的反应区，实现复杂的化学反应过程；在农业领域，这种结构可用于开发新型的保水剂，亲水层有助于水分的吸收和保持，而疏水层则防止水分的过快蒸发。
16、专利技术原理：
17、在高速剪切下，纤维材料与z轴呈平行或者垂直分布，剪切刚度大的亲水纤维材料越亲水，与z轴的夹角越接近0°，剪切刚度小的疏水纤维材料越疏水，与z轴的夹角越接近90°。在高过冷度下，冰晶垂直纤维材料表面生长，于是形成柱状冰晶，冷冻干燥后得到网格孔道(如图1所示)，极端情况下，剪切刚度极小的高度疏水纤维材料完全沉降到底部，剪切刚度大的极亲水纤维材料分散于上部，可以形成各向异性阶梯孔道(如图2所示)。
18、有益效果：
19、本专利技术的具有多取向孔道的气凝胶的制备方法简单，具有多取向孔道的气凝胶在物质传输、能量存储与转换、吸附与分离等方面可表现出更优异的性能。
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1.一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，将亲水纤维材料和疏水纤维材料分散在水中，经剪切机剪切得到纤维悬浮液后，将纤维悬浮液冷冻至完全冻结，冷冻干燥后得到气凝胶；
2.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，亲水纤维材料的长径比为1～10，疏水纤维材料的长径比为40～80。
3.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，亲水纤维材料为纤维素纤维或纤维素衍生物纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，疏水纤维材料为热塑性聚氨酯纤维、聚乳酸纤维或聚己内酯纤维。
5.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，纤维悬浮液中，亲水纤维材料的含量为0.5～0.75wt％。
6.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，纤维悬浮液中还含有0.25～2wt％的表面活性剂。
7.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，将纤维悬浮液冷冻
8.一种具有多取向孔道的气凝胶，其特征在于，采用如权利要求1～7任一项所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法制得。
9.如权利要求8所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的应用，其特征在于，用作轻质高强复合材料、气凝胶基电极材料、能源存储与转换材料、吸波透波材料、建筑防火隔热材料、污水处理和海水淡化材料、单向导湿材料、微电子或保水剂。
...【技术特征摘要】
1.一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，将亲水纤维材料和疏水纤维材料分散在水中，经剪切机剪切得到纤维悬浮液后，将纤维悬浮液冷冻至完全冻结，冷冻干燥后得到气凝胶；
2.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，亲水纤维材料的长径比为1～10，疏水纤维材料的长径比为40～80。
3.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，亲水纤维材料为纤维素纤维或纤维素衍生物纤维。
4.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，疏水纤维材料为热塑性聚氨酯纤维、聚乳酸纤维或聚己内酯纤维。
5.根据权利要求1所述的一种具有多取向孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，纤维悬浮液中，亲...
【专利技术属性】
技术研发人员：王富军，符芬，赵帆，王钰涵，丁凯，李超婧，王璐，林婧，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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