本发明专利技术属于材料科学技术领域，涉及一种具有橘瓣孔道的气凝胶及其制备方法和应用。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；亲水纤维材料的水接触角20°～90°，剪切刚度10～20，长径比≤10；疏水纤维材料的水接触角100°～150°，剪切刚度10～20，长径比≥40；亲水纤维材料与疏水纤维材料的质量比2～4:1；剪切机剪切速率15000～25000rpm；冷冻时的过冷度≥5.5℃；具有橘瓣孔道的气凝胶采用该方法制得；应用即将具有橘瓣孔道的气凝胶用作药物缓释材料等。本发明专利技术方法简单，可制得具有橘瓣孔道的气凝胶。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料科学，涉及一种具有橘瓣孔道的气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
1、在材料科学领域，多孔结构因其独特的物理和化学性质而备受关注。其中，橘瓣状结构作为一种特殊的多孔结构，因其中心具有较小的核心区域，周围环绕着多个类似瓣片的结构，展现出了一系列独特的性能优势。这种结构在吸附、过滤与分离、催化和能源存储、缓降和缓释性能等方面具有潜在的应用价值。
2、具体而言，橘瓣状结构赋予气凝胶轻质和多级孔径可调的特性，使其在航空和航天领域作为轻质隔热材料，或在建筑领域作为保温材料时，展现出优异的性能。同时，其高比表面积和高孔隙率也使其成为能源领域太阳能收集器的理想候选材料，有望提高能源转换效率。此外，有序的多级孔径结构使橘瓣孔道气凝胶能够作为催化剂载体，提高催化剂的利用率和反应效率，同时也改善了气凝胶的渗透性，有利于过滤和分离效果的提升。
3、更为重要的是，橘瓣状结构的空气动力学特性使得其能够在空气中悬浮或缓慢降落，为环境检测领域的大气采样器提供了新的可能性。此外，这种结构还适合作为微型飞行器的材料，用于空气动力学研究或作为微型传感器的载体。在生物医药领域，橘瓣孔道气凝胶也可用作药物递送系统或仿生模板，为组织工程提供了新的解决方案。
4、然而，尽管橘瓣孔道气凝胶具有如此多的潜在优势和应用前景，但现有技术尚无法制备出具有这种特定结构的气凝胶。多级孔径取向性分布问题是制备橘瓣孔道气凝胶的关键技术难点。目前的技术方法无法精确控制气凝胶孔道的形成和分布，难以得到具有规则橘瓣状结构的气凝胶。
>5、因此，开发一种能够制备出具有橘瓣孔道结构的气凝胶的新技术，对于推动材料科学领域的发展，拓展气凝胶的应用范围具有重要意义。
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，提供一种具有橘瓣孔道的气凝胶及其制备方法和应用。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种具有橘瓣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、亲水纤维材料的水接触角为20°～90°，剪切刚度为10～20，长径比≤10；疏水纤维材料的水接触角为100°～150°，剪切刚度为10～20，长径比≥40；亲水纤维材料与疏水纤维材料的质量比为2～4:1；剪切机的剪切速率为15000～25000rpm；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橘瓣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橘瓣孔道的气凝胶的制备方法，亲水纤维材料为纤维素纤维、纤维素衍生物纤维(例如醋酸纤维素纤维)或锦纶。
8、如上所述的一种具有橘瓣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橘瓣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0.67～0.8wt％。
10、如上所述的一种具有橘瓣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橘瓣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、本专利技术还提供了一种具有橘瓣孔道的气凝胶，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、本专利技术还提供了如上所述的一种具有橘瓣孔道的气凝胶的应用，用作药物缓释材料、催化载体、骨骼修复材料或气体分离材料；
14、具有橘瓣孔道结构的气凝胶，其孔道以放射状排列，孔径大小各异且通常呈现逐级递减的趋势，这种独特的结构赋予了气凝胶高连通性和高比表面积的特性，使其在众多领域表现出卓越的性能；
15、在药物缓释材料领域，橘瓣孔道结构的气凝胶可用于制造纳米胶囊或微囊，从而实现对药物释放速度和位置的精准控制，这种结构有助于实现药物的精确投放和缓释效果，进而提升药物治疗的整体效果；
16、作为催化载体，橘瓣孔道结构不仅有利于物质沿孔道方向的传输，还能通过提供不同大小的孔道来调控反应物和产物的扩散路径，这有助于优化催化过程，显著提高催化效率；
17、在骨骼修复材料领域，橘瓣孔道结构与骨骼的微观结构相契合，有助于提供所需的机械强度和轻量化特性，通过调控孔径大小，材料能够针对不同类型的骨缺损进行定制，更精确地匹配骨缺损区域，从而促进骨骼的再生与修复；
18、此外，橘瓣孔道结构的独特连通性使其在气体分离材料领域具有潜在的应用价值，小孔道有助于气体分子在孔道内的选择性吸附，从而提高气体分离效率，如实现氧气和氮气等气体的有效分离；
19、在环境检测领域，因为具有这种结构的材料在空气中可以稳定下落，减缓下降速度，适用于需要长时间悬浮或缓慢降落的应用场景，可以利用其悬浮特性在大气中收集样本，作为大气采样器；
20、综上所述，具有橘瓣孔道结构的气凝胶因其独特的结构和性能，在药物缓释、催化载体、骨骼修复以及气体分离、环境检测等多个领域具有广泛的应用前景。
21、专利技术原理：
22、在高速剪切下，长径比小的亲水纤维材料受到剪切流的影响较大，在近壁面的排列方向接近平行于z轴，长径比大的疏水纤维材料受到剪切流的影响较小，所有纤维材料从外围至内圈呈圆周分布，亲水纤维材料越亲水越在外圈(如图1所示，最外圈为亲水纤维层1)，与z轴的夹角越接近0°，疏水纤维材料越疏水越靠近中心轴(如图1所示，最内圈为疏水纤维层2)，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，亲疏水纤维材料形成的亲疏水梯度牵引冰晶从外围往中心轴方向延伸生长，于是形成如图1所示的橘瓣状冰晶3，冷冻干燥后得到橘瓣孔道。
23、有益效果：
24、本专利技术的具有橘瓣孔道结构的气凝胶的制备方法简单，制得的具有橘瓣孔道结构的气凝胶因其独特的结构，在药物缓释、催化载体、骨骼修复以及气体分离等多个领域具有广泛的应用前景。
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【技术保护点】
1.一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣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、纤维素衍生物纤维或锦纶。
4.根据权利要求1所述的一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣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0.67～0.8wt％。
6.根据权利要求1所述的一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣孔道的气凝胶的制备方法，其特征在于，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。
8.一种具有橘瓣孔道的气凝胶，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所述的一种具有橘瓣孔道的气凝胶的应用，其特征在于，用作药物缓释材料、催化载体、骨骼修复材料或气体分离材料。
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【技术特征摘要】
1.一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣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、纤维素衍生物纤维或锦纶。
4.根据权利要求1所述的一种具有橘瓣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所述的一种具有橘瓣孔道的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王富军，符芬，赵帆，王钰涵，赵晓丽，左小毓，郭永康，饶秉钧，王璐，曾泳春，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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