【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物质气凝胶材料，具体涉及一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶及其制备方法及应用。
技术介绍
1、开发用于绿色发电和油污处理的轻质、多孔材料是应对能源短缺和环境变化的有效方式。气凝胶是世界上最轻的多孔材料，被《science》评为十大新材料之首，应用领域广泛。尤其是，气凝胶较大的比表面积和三维多孔结构，使其能够吸附大量油类物质，在油污清理和环境保护中非常有效。此外，气凝胶微纳结构中含有丰富的毛细管孔道，当水在其中流动时，由于固-液界面扩散双电层的存在，可诱发电荷转移，从而产生输出电压，在水伏发电领域具有潜在的应用价值。目前，用于吸油和水伏发电的代表性气凝胶主要有石墨烯气凝胶、mxene气凝胶、硅基气凝胶以及有机（如三聚氰胺）气凝胶。然而，这些材料制备工艺复杂、成本高、不可再生回收和耐久性差。同时考虑到前驱体可持续性、低成本、环境友好和可再生性等优势，开发坚固、多功能的生物质气凝胶材料备受研究者的关注。
2、在众多的生物聚合物中，来源于家蚕的蚕丝纤维具有高产量、良好的生物相容性、可控的生物降解性以及易加工性等重要特征。重要的是，蚕丝纤维具有跨越纳米到宏观尺度层级结构，这种多尺度结构赋予了其优良的力学性能，包括超高的拉伸强度（0.3-1.3gpa）和非凡的韧性（70-200mj/m3），远高于纤维素和几丁质等其他生物材料。得益于以上这些特性，蚕丝已成为构筑多功能生物质气凝胶的最具潜力候选材料之一。值得说明的是，丝素蛋白基气凝胶富含丰富的极性基团（如氨基、羧基和羟基等），有利于水中离子的快速
3、相比再生丝素蛋白，作为蚕丝纤维基本组成单元，丝素蛋白微纳米原纤（smnf）不仅保留了蚕丝纤维原有的介观结构，而且具有优异的力学韧性。我们先前的研究表明，smnf是构建高性能蚕丝基气凝胶的理想组装元素。li等人报道了一种用于水伏发电的蚕丝纳米纤（snf）维气凝胶，但由于snf之间缺乏稳定的交联，导致气凝胶可能存在机械强度不足。此外，snf气凝胶极易吸收水分，长时间暴露在水或高湿度的环境中，会导致气凝胶的结构崩塌。为提高蚕丝微米纤维（smf）气凝胶的机械强度，manna等人使用再生丝素蛋白（作为粘合剂）通过来固化smf之间的交联，同时通过化学修饰赋予了smf基气凝胶超疏水功能，并展示了其在吸油方面的应用。然而，该超疏水smf基气凝胶呈现无序多孔结构，致使其耐疲劳性较差、吸油速率和吸油能力较低。因此，通过细致的结构设计与适当的化学改性构筑具有有序孔道、良好耐水性和优良机械性能的蚕丝基气凝胶，对于其在高效吸油和水伏发电领域的持久应用至关重要。
4、天然的生物材料（例如竹子）具有精妙的层次结构，跨越纳米到宏观尺度。在径向上，竹子呈现出分层的包腔结构，垂直方向上具有排列的定向孔道。这种显著的各向异性结构使得竹子具有高效的液体和离子输送能力，即使在较低的密度下也具有卓越的力学性能。
5、本领域技术人员亟待开发一种超弹性、可降解、可回收的仿生结构蚕丝基气凝胶的制备方法，满足现有的应用需求和性能要求。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，受竹子各向异性的微观结构启发，本专利技术的目的在于提供了一种超弹性、可降解、可回收的仿生结构蚕丝基气凝胶及其制备方法及应用。
2、一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶制备方法，包括以下步骤：（1）蚕生丝的脱胶处理：称取一定质量的蚕生丝加入质量分数为0.05%的碳酸钠溶液中，在100℃下脱胶处理30min，重复上述操作2次，水洗干燥后得到丝素纤维；（2）低共熔溶剂的制备：将氢键受体和氢键供体按照1:1～2的摩尔比混合，在80～100℃的进行加热，直至形成澄清透明的低共熔溶剂；其中氢键受体选自氯化胆碱或甜菜碱；（3）des热刺激丝素纤维原位分裂：将丝素纤维剪碎，并加入上述制备的低共熔溶剂中，纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100，在90～120℃的条件下热刺激处理12～24h，使丝素纤维原位分裂，形成丝素蛋白微-纳米原纤，使用去离子水对des处理的丝素纤维进行充分洗涤至水的电导率≤20μs/cm后，将des热刺激处理的丝素纤维放入40℃烘箱中进行干燥；将干燥后的纤维放入一定体积的去离子水，并在超声功率700w下超声30～60min或转速8000rpm下机械搅拌5～10min，的作用下使其均匀分散，形成浓度为5mg/ml的丝素蛋白微纳米原纤（smnf）分散液；（4）将cmc粉末加入去离子水中，在60～90℃下充分搅拌1～3h溶解，形成一定浓度的羧甲基纤维素溶液，将丝素微-纳米原纤分散液与羧甲基纤维素溶液均匀共混，体系中丝素微-纳米原纤与羧甲基纤维素的质量比设定为9:1～5:5，并加入底部镶嵌铜板的聚四氟乙烯模具中，将装有混合溶液的模具放置在-60℃的冷阱或浸入液氮中进行定向冷冻，随后转移至真空冷冻干燥机中进行冻干处理，形成气凝胶。
3、进一步的，蚕生丝与碳酸钠溶液质量体积比为1∶50。
4、进一步的，其特征在于，所述步骤（3）中丝素纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100。
5、进一步的，所述步骤（2）氢键供体为尿素、乳酸中的至少一种。
6、进一步的，所述步骤（4）羧甲基纤维素溶液的浓度为2%～3%。
7、上述制备方法得到的一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶在吸油、水伏发电器件领域中的应用。
8、上述的制备方法制备的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的回收方法，其特征在于，将一定质量的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶放入水中，在机械搅拌作用下，仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶重新分散在水中并形成均匀稳定的前驱体分散液，其中机械搅拌选用的机器为市售的家用破壁机或高速分散机中一种，转速为5000～10000rpm，时间为5～10min。对前驱体分散液进行定向冷冻和冷冻干燥处理即可重新制备仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶。
9、上述的制备方法制备的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的降解方法，其特征在于，进行生物降解处理，所述生物降解处理方式可选择土壤直接掩埋法。
10、上述方法制备的高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶制备水伏发电器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将0.6g的对甲苯磺酸铁溶于20ml的去离子水中，在超声辅助下分散0.3g的3,4-乙烯二氧噻吩，接着加入0.75g的过氧硫酸钠引发聚合，并快速搅拌混合溶液。将质量为0.1g的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶浸泡在混合溶液中，使其充分吸收3,4-乙烯二本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）蚕生丝的脱胶处理：将蚕生丝加入质量分数为0.05%的碳酸钠溶液中，在100℃下脱胶处理30min，重复上述操作2次，水洗干燥后得到丝素纤维；（2）低共熔溶剂DES的制备：将氢键受体和氢键供体按照1:1～2的摩尔比混合，在80～100℃的进行加热，直至形成澄清透明的低共熔溶剂；所述氢键受体为氯化胆碱或甜菜碱；（3）DES热刺激丝素纤维原位分裂：将丝素纤维剪碎，并加入上述制备的低共熔溶剂中，纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100，在90～120℃的条件下热刺激处理12～24h，使丝素纤维原位分裂，形成丝素蛋白微-纳米原纤，使用去离子水对DES处理的丝素纤维进行充分洗涤至水的电导率≤20μS/cm后，将DES热刺激处理的丝素纤维放入40℃烘箱中进行干燥；将干燥后的纤维放入去离子水，并在超声或机械搅拌作用下使其均匀分散，形成浓度为5mg/mL的丝素蛋白微纳米原纤分散液；（4）将羧甲基纤维素粉末加入去离子水中，在60～90℃下充分搅拌1～3h溶解，形成质量浓度2%～3%羧甲基纤维素溶液
2.根据权利要求1所述的高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中丝素纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100。
3.根据权利要求1所述的一种青桐纤维的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤（2）氢键供体为尿素、乳酸中的至少一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述制备方法得到的一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶在吸油、水伏发电器件领域中的应用。
5.根据权利要求1所述的制备方法制备的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的回收方法，其特征在于，将仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶放入水中，在机械搅拌作用下，仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶重新分散在水中并形成均匀稳定的前驱体分散液，其中机械搅拌选用的机器为市售的家用破壁机或高速分散机中一种，转速为5000～10000rpm，时间为5～10min，对前驱体分散液进行定向冷冻和冷冻干燥处理即可重新制备仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶。
6.根据权利要求1所述的制备方法制备的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的降解方法，其特征在于，进行生物降解处理，所述生物降解处理为土壤直接掩埋法。
7.采用权利要求1所述方法制备的高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶制备水伏发电器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将0.6g的对甲苯磺酸铁溶于20mL的去离子水中，在超声辅助下分散0.3g的3,4-乙烯二氧噻吩，接着加入0.75g的过氧硫酸钠引发聚合，并搅拌混合溶液，将质量为0.1g的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶浸泡在混合溶液中，使其充分吸收3,4-乙烯二氧噻吩和氧化剂，在6℃条件下聚合24h，最后将气凝胶浸泡在大量的去离子水中，以去除过氧硫酸钠和多余的对甲苯磺酸铁，然后用乙醇冲洗未反应的3,4-乙烯二氧噻吩，进一步用丙酮进行溶剂交换，室温下干燥后，可获得聚（3,4-乙撑二氧噻吩）原位改性的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶；（2）使用导电银浆将导线固定在聚（3,4-乙撑二氧噻吩）原位改性的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的上下两端，并在80～100℃下固化10～15min，放置在装有水的培养皿中，使其下端接触水，上端不接触水，即得到水伏发电器件。
...【技术特征摘要】
1.一种高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）蚕生丝的脱胶处理：将蚕生丝加入质量分数为0.05%的碳酸钠溶液中，在100℃下脱胶处理30min，重复上述操作2次，水洗干燥后得到丝素纤维；（2）低共熔溶剂des的制备：将氢键受体和氢键供体按照1:1～2的摩尔比混合，在80～100℃的进行加热，直至形成澄清透明的低共熔溶剂；所述氢键受体为氯化胆碱或甜菜碱；（3）des热刺激丝素纤维原位分裂：将丝素纤维剪碎，并加入上述制备的低共熔溶剂中，纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100，在90～120℃的条件下热刺激处理12～24h，使丝素纤维原位分裂，形成丝素蛋白微-纳米原纤，使用去离子水对des处理的丝素纤维进行充分洗涤至水的电导率≤20μs/cm后，将des热刺激处理的丝素纤维放入40℃烘箱中进行干燥；将干燥后的纤维放入去离子水，并在超声或机械搅拌作用下使其均匀分散，形成浓度为5mg/ml的丝素蛋白微纳米原纤分散液；（4）将羧甲基纤维素粉末加入去离子水中，在60～90℃下充分搅拌1～3h溶解，形成质量浓度2%～3%羧甲基纤维素溶液，将丝素微-纳米原纤分散液与羧甲基纤维素溶液均匀共混，体系中丝素微-纳米原纤与羧甲基纤维素的质量比设定为9:1～5:5，并加入底部镶嵌铜板的聚四氟乙烯模具中，将装有混合溶液的模具放置在-60℃的冷阱或浸入液氮中进行定向冷冻，随后转移至真空冷冻干燥机中进行冻干处理，形成气凝胶。
2.根据权利要求1所述的高弹性可降解可回收的仿生结构蚕丝微纳米纤维基气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中丝素纤维与低共熔溶剂的质量比为1:50～100。
3.根据权利要求1所述的一种青桐纤维的绿色制备方法，其特征在于，所述步骤（2）氢键供体为尿素、乳酸中的至少一种。
4.根据权利要求1～...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨海伟，王宗乾，王鹏，江舒宁，张乐乐，郑伟杰，张蕙，夏炳豪，郑天亮，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：
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