多糖气凝胶的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明通常设及基于多糖的气凝胶。本发明也设及形成基于多糖的气凝胶的方法 和其用途。
【背景技术】
[0002] 气凝胶是经干燥的凝胶，其极轻，具有如高多孔性和大表面积的性质。通常用作气 凝胶的材料包括二氧化娃、碳、氧化侣或氧族元素(chalcogens)。然而，二氧化娃气凝胶极 其易碎，并且形成W上气凝胶的工序花费大，一些工序需要对环境有毒害的溶剂。
[0003] 由于气凝胶的低热导率，它们已经被研究W用作热绝缘体。溫室效应一直使地球 变暖并威胁人类生活。已经发现在2005年发达国家中，来自建筑物的C0油巧义造成大于30% 的溫室气体排放。建筑物也是该年39%的能量消耗的原因。改善建筑物的热绝缘是针对该 问题最有效的解决方法之一。因此，已经开发新绝缘材料中进行了很多努力。二氧化娃气凝 胶已经被提议作为用于建筑物的绝缘材料。然而，它们非常易碎。已经开发了基于柔性气凝 胶的绝缘材料(基于包含甲基烷基化的二氧化娃和聚对苯二甲酸乙二醇醋的复合物），但它 比常规绝缘材料贵得多。
[0004] 高能耗、气候变化和化石燃料的耗减需要更高可持续性和能效的建造方法。为了 达到改善的能效要求，建筑物的热绝缘起重要作用。为了利用现有绝缘材料获得更好的热 绝缘，更厚的墙是期望的。然而，运将增加建筑成本并影响一些问题，如地板面积、建筑限制 等。因此，开发更便宜的用于建造应用的具有低热导率的绝缘材料是必不可少的。在热带气 候中，高湿度是影响建筑物寿命的额外因素。因为周围空气中的水气含量高，可有利于可引 起过敏或呼吸问题的有害微生物诸如霉菌或细菌的生长。另外，高湿度的空气可引起冷凝 形成在暴露于外部空气诸如窗户、墙或天花板的表面上，高湿度的空气可比外部空气更冷 (由于室内空调的使用）。冷凝的水气可能损害建筑材料。
[000引尽管气凝胶在环境清理诸如从水中清理化学溢出物或移除重金属中应用有限，但 它们还没有广泛研究用于其他类型的环境污染。
[0006] 为了清理油溢出物，吸附剂已经用作替代传统方法诸如栏栅(boom)、撇油器、分散 剂或燃烧的可选择物或与其一起使用。然而，运些传统方法对于从水中完全移除油不是非 常有效并且花费大。用于油移除的吸附剂可分为无机矿物、合成有机和天然有机材料。普通 吸收剂如聚丙締的吸收能力可多至它们重量的25倍。然而，高成本和低生物降解力是该技 术的主要缺点。
[0007] 也发现气凝胶在需要水吸收的应用中使用有限。由于气凝胶诸如二氧化娃气凝胶 的吸湿属性，当二氧化娃气凝胶被放置在液态水中时，由于由所吸收的水施加的强毛细管 力，气凝胶结构实际上塌陷，导致固体二氧化娃骨干的断裂。替代使用超级吸收剂聚合物来 吸收水。超级吸收剂聚合物是具有吸收和保留大体积水的能力的材料。因此，它们用于水吸 收应用，诸如婴儿尿布和女性卫生巾。它们可在水中膨胀W形成可多至99wt%水的橡胶似 的凝胶。然而，吸收的水可仅通过干燥移除，并且吸收剂不是可生物降解的。
[0008] 需要提供一种气凝胶，其克服或至少改善上述缺点中的一个或多个。
【发明内容】
[0009] 根据第一方面，提供了基于多糖的气凝胶，其包括其间具有孔的多糖纤维的网状 结构（"network")，其中孔径处于微米范围内。
[0010] 有利地，大孔径(处于微米范围内）可W使得气凝胶吸收大量液体，指示气凝胶的 高吸收能力。
[0011] 有利地，气凝胶可涂覆有合适的疏水剂，W赋予气凝胶的疏水润湿性质。由于气凝 胶的疏水性质，气凝胶可用于吸收非极性液体诸如油。大孔径可使得气凝胶吸收高粘性非 极性液体，因为对于非极性液体来说可更容易扩散入大孔。气凝胶可为"自清洁的"，W便当 水滴沿气凝胶表面滚动，用水滴收集并携带灰尘时，气凝胶上的任何污垢可从气凝胶上移 除。
[0012] 任何所吸收的液体可通过在气凝胶上施加压力从气凝胶上移除。有利地，运是移 除所吸收液体的简单方法，并且可不需要更复杂的方法诸如干燥气凝胶。一旦所吸收的液 体从气凝胶释放，气凝胶可被再次使用，促进气凝胶的重复使用性。
[0013] 在多糖是纤维素的情况下，与由纯纤维素纤维(化学合成的，或源于细菌或直接从 植物原料获得的植物纤维素）制成的纳米纤维素气凝胶相比，所公开的纤维素气凝胶具有 处于微米范围内的孔，纤维素纤维的直径处于微米范围内并且纤维素纤维的长度处于毫 米。对于纳米纤维素气凝胶，孔小Ξ个数量级(处于钢米范围内），纳米纤维素纤维的直径和 长度也小Ξ个数量级(直径处于钢米范围内而长度处于微米范围内）。由于所公开的纤维素 气凝胶的较大孔径，与纳米纤维素气凝胶相比，所公开的气凝胶对于给定液体具有更大的 吸收能力。另外，所公开的气凝胶是柔性的，而纳米纤维素气凝胶是易碎的。
[0014] 有利地，多糖气凝胶具有低热导率值，其比得上良好绝缘材料的热导率值，指示利 用气凝胶作为热绝缘体的可行性。
[0015] 根据第二方面，提供了一种用于形成基于多糖的气凝胶的方法，其包括W下步骤： a.在存在声能的情况下，将来自可回收材料的多糖纤维溶解在多糖溶剂中W形成多糖分散 体;和b.将多糖分散体形成为气凝胶。
[0016] 有利地，该方法不需要使用交联剂W将多糖纤维联结在一起，因为多糖纤维能够 经氨键自组合W形成Ξ维多孔网状结构。
[0017] 根据第Ξ方面，提供一种用于形成基于疏水多糖的气凝胶的方法，其包括W下步 骤:a.在存在声能的情况下，将来自可回收材料的多糖纤维溶解在多糖溶剂中，W形成多糖 分散体;b.将多糖分散体形成为气凝胶;和C.用疏水剂涂覆气凝胶。
[0018] 有利地，用疏水剂涂覆气凝胶可大体上不影响气凝胶的物理性质。因此，气凝胶的 柔性、机械和热性质可W不受疏水剂涂覆的不利影响。
[0019] 根据第四方面，提供了一种可重复使用的吸收剂，其包括基于多糖的气凝胶，该气 凝胶具有其间具有孔的多糖纤维的网状结构，其中孔径处于微米范围内。
[0020] 有利地，吸收剂可重复使用至少Ξ次，借此任何所吸收的液体可经由施加压力容 易地从气凝胶上移除。在移除所吸收的液体后，气凝胶可被再次使用。
[0021] 根据第五方面，提供了一种用于基于多糖的气凝胶的用途，该气凝胶具有其间具 有孔的多糖纤维的网状结构，其中孔径处于微米范围内，w用于吸收非极性液体。
[0022] 有利地，基于多糖的气凝胶可用于从极性和非极性液体的混合物中吸收非极性液 体。在非极性液体是油的情况下，多糖气凝胶可用于油治理。
[0023] 定义
[0024] 本文使用的下列词语和术语应具有指示的含义：
[0025] 术语"气凝胶"宽泛地解释为指的是由凝胶形成的多孔材料，其中凝胶的液体成分 由气体取代。
[0026] 术语"回收的纤维素"宽泛地解释为指的是从可回收材料获得的纤维素。可从中提 取纤维素纤维的可回收材料的类型包括废纸，诸如高等级纸(例如，计算机用纸、白纸、标签 卡等）W及其他类型的纸(例如，彩色纸、瓦愣纸板、报纸、杂志、电话簿、目录簿、信封、包装 纸、垫纸、纸袋等）。
[0027] 术语"微米范围"宽泛地解释为包括处于大约1皿至大约1000皿的范围内的任何尺 寸。
[0028] 术语"钢米范围"宽泛地解释为包括低于大约1皿的任何尺寸。
[0029] 术语"接触角"宽泛地解释为包括在液体/固体界面之间测量的任何角度。接触角 是系统特定的并取决于液体/固体界面的界面表面张力。疏液性的量化可表达为液体落在 表面上的接触角的度数。
[0030] 术语"疏液性的"和"疏液性"，当指的是表面时，宽泛地解释为包括不使液滴大体 上在其上散布的任何性质的表面。通常，如果液滴和表面之间的接触角大于90°，则表面是 疏液性的或展示疏液性。同样地，术语"疏水"和"疏水性"表示当水为放置于其上的液体时， 表面是疏液性的或显示疏液性。如果水滴和表面之间的接触角大于150°，则表面被定义为 超级疏水。
[0031 ]术语"亲液性的"或"亲液性"，当指的是表面时，宽泛地解释为包括使液滴大体上 在其上散布的任何性质的表面。通常，如果液滴和表面之间的接触角小于90°时，表面是亲 液性的。同样地，术语"亲油性脚'和"亲油伴'表示当油为放置于其上的液体时，表面是亲液 性的或展示亲液性。如果油滴和表面之间的接触角为大约〇°，则表面被定义为超级亲油性 的。术语"亲水性的"和"亲水性"表示当水为放置于其上的液体时，表面是亲液性的或展示 亲液性。如果水滴和表面之间的接触角为大约〇°，则表面被定义为超级亲油性的。
[0032] 术语"自清洁"宽泛地解释为指的是表面处理可存在于表面上任何污垢的能力。运 可通过具有疏水表面完成，借此当水滴沿表面滚动，用水滴收集并携带污垢时，存在于表面 上的任何污垢可从表面上移除。
[0033] 术语"疏水剂"宽泛地解释为指的是包含非极性官能团的化学化合物，由此当涂覆 或施加在材料上时赋予排斥水的能力。
[0034] 词语"大体上"不排除"完全地"，例如"大体上不含"Y的组合物可完全不含Y。在必 要的情况下，词语"大体上"可从本发明的定义中省略。
[0035] 除非另有说明，术语"包括(comprising)"和"包括(comprise)"，和其语法上的变 体，意欲表示"开放的"或"包括一切的"语言，W便它们包括列举的元素，而且允许包括额外 的、未列举的元素。
[0036] 如本文所用的，术语"大约"，在配方成分浓度的上下文中，通常表示标注值的+/- 5%，更通常地，标注值的+/-4%，更通常地，标注值的+/-3%，更通常地，标注值的+/-2%， 甚至更通常地标注值的+/-1 %，和甚至更通常地标注值的+/-〇. 5%。
[0037] 在本公开通篇中，一些实施方式可W区间格式公开。应该理解到W区间格式的描 述仅仅为了方便和简洁，并不应解释为在所公开区间的范围中是不变通的限制。相应地，区 间的描述应被认为具体地具有所公开的所有可能的子区间W及区间内的各个数值。例如， 区间的描述诸如从1至6被认为具体地具有所公开的子区间，诸如从1至3、从1至4、从1至5、 从2至4、从2至6、从3至6等，W及区间内的各个数字，例如，1、2、3、4、5和6。运不管区间的宽 度都适用。
[0038] -些实施方式也可在本文中宽泛和一般地进行描述。落入类属公开的更窄的种类 和亚属分组中的每一个也形成本公开的一部分。运包括实施方式的类属描述，其具有从类 属中移除任何主题的限制性条款或否定限制，而不管删除的材料是否具体地在本文中列 举。
【具体实施方式】
[0039] 示例地，现在将公开基于多糖的气凝胶的非限制性实施方式。
[0040] 基于多糖的气凝胶包括其间具有孔的多糖纤维的网状结构，其中孔径处于微米范 围内。基于多糖的气凝胶可具有均一多糖纤维的开放的多孔网状结构，指示多糖纤维经氨 键成功地自组合。基于多糖的气凝胶可具有Ξ维多孔网状结构。基于多糖的气凝胶由于多 糖-多糖氨键可具有稳定的结构。因此，即使当基于多糖的气凝胶受到如W下进一步说明的 一系列水或油吸收测试时，气凝胶的形状仍可维持。
[0041] 构成基于多糖的气凝胶的多糖纤维可源自可回收材料或从可回收材料获得。可回 收材料可为废纸。通过从可回收材料获得多糖纤维诸如纤维素纤维而不是直接经生物工程