本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维及其制备方法。
背景技术：
随着科学技术的不断进步，人们的生活水平也越来越高，但是能源却日益匮乏，因此人们对于资源的充分利用和环境保护的意识不断增强，保温储能材料成为研究的热点。保温储能材料可以将一部分热量储存下来，提高能源的利用率，降低使用过程中的额外损耗。随着保温储能材料形态和功能性的不断优化升级，保温储能材料已经被广泛应用于电力、建筑、纺织等领域。
保温储能材料是指能够减缓或者停止由辐射、对流和传导产生的热流速率的材料，这类材料的主要特点是多孔、质轻、疏松以及导热系数小。在纺织领域，保温储能纺织品主要产品有羽绒类、羊毛类、超细纤维类和棉类保暖材料等，其中羽绒类、羊毛类和棉类保暖材料都是利用天然保暖材料优越的保暖透气透湿性能，超细纤维类保暖材料主要是利用化纤和合成纤维本身的结构，但是透气透湿性较差。但是这类保温储能材料都是通过增加服装的厚度来达到保温的目的，不仅影响美观，而且对舒适性也有很大影响。
气凝胶是一种轻质的纳米多孔类材料，具有纳米表面效应、尺寸效应、宏观量子隧道效应以及量子尺寸效应等，对光和热的散射小，导热系数极低，而且还具有超低密度、耐化学腐蚀等特点。目前气凝胶有二氧化硅气凝胶、纤维素气凝胶、再生纤维素气凝胶等。
目前，气凝胶在纺织领域也有少量研究。中国专利CN 101791881B公开的用于防水隔热面料的防水隔热夹层，该防水隔热夹层由疏水性气凝胶粉体填料和聚四氟乙烯密封外层组成，疏水性气凝胶粉体填料均匀的分布在聚四氟乙烯密封外层中，聚四氟乙烯密封外层作为保温材料，聚四氟乙烯密封外层作为防水材料，形成质地均匀的防水隔热夹层，该夹层的厚度小，质地轻，柔软，应用范围广泛。中国专利CN 104945004A公开的一种新型再生纤维素纤维-气凝胶的复合材料及其制备方法，将再生纤维素纤维作为骨架，纤维基气凝胶吸附于再生纤维素纤维表面形成复合材料，可用于保温、隔热、隔音和吸油领域。中国专利CN 202514650U公开的具有隔热吸汗透气防水功能的衣料，包括外层、隔热层和内层，衣料的结构中外层包覆在隔热层外，隔热层包覆在内层外，而且隔热层外包覆有多孔性半透膜，隔热层是由二氧化硅气凝胶与诺梅克斯纤维与成型体构成复合材料。由上述现有技术可知，目前将二氧化硅凝胶运用于纺织品种，多是以添加剂的形式，与纤维或者高分子材料形成复合材料，该复合材料多形成薄膜形态，织造成的面料的功能性提高的并不明显。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维及其制备方法，将硅的前驱体溶液与纤维素溶液混合形成溶胶，再加入PVP高分子聚合物中形成纺丝液，经机械抽丝形成初纺纤维，再经乙醇老化和真空干燥得到基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维。本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中将气凝胶加入到纤维的内部与表面，使纤维本身具有优良的隔热保温蓄热功能，而且还具有良好的机械性能，比表面涂层整理的应用范围更加广泛。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，所述基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维为纤维状，所述基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中包括气凝胶和高分子聚合物，所述气凝胶为二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶，所述高分子聚合物为PVP，所述PVP的分子量不低于30000。
作为上述技术方案的优选，所述基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维是经机械抽丝技术制备形成纤维。
本发明还提供一种基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)以料液比为1g:8-15ml，将硅的前驱体加入乙醇水混合液中，混合搅拌，调节pH值，加热搅拌，形成硅的前驱体溶液；
(2)将棉纤维经强酸水解后形成纤维素晶须，以料液比为1g:8-10ml，将纤维素晶须置于乙醇水混合液中，超声处理，形成纤维素前驱体溶液；
(3)将步骤(1)制备的硅的前驱体溶液和步骤(2)制备的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值，滴加乙醇，充分搅拌，形成溶胶体系，将溶胶体系加入高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液；
(4)将步骤(3)制备的纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，硅的前驱体为正硅酸乙酯。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，调节pH值的工艺参数为：先调节pH值至3-4，保持30-90min，再调节pH值至7-8，保持60-120min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，硅的前驱体溶液的质量分数为3-5％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，纤维素前驱体溶液的质量分数为4-8％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，纺丝液中硅的前驱体溶液、纤维素前驱体溶液和高分子量的PVP水溶液的体积比为1:1:3-8。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，老化时间为24-36h。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为50-70:10-20:15-30。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中含有二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶，两种气凝胶都具有超强吸附能力，可以将高分子材料吸附紧密，有利于提高纤维的机械强度，此外二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的多孔性优良，兼具有再生纤维素材料和无机材料的性能，具有无毒、无污染、生物相容性好等特点，在赋予纤维优良的隔热保温性能的同时，对环境的负担不大。
(2)本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶两者混合均匀，并均匀的分散在纤维内部，使纤维的隔热保暖蓄热性能均一，强度均一，且对纤维的机械性能影响不大。
(3)本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维的外形为纤维状，与薄膜状和无序状相比，可加工性更好，可加工成面状和三维立体状，而且可以添加到材料的内部，形成有序的机构，可控性更强，应用范围更加广泛。
(4)本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维采用高分子量的PVP高聚物作为黏合剂，高分子量的PVP高聚物可在很少的用量的情况下，使纤维达到优良的机械效果，使纤维符合使用要求。
(5)本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维制备方法简单，可操控性强，制备的纤维的隔热保温性能优异，机械性能符合使用要求，且绿色环保。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)以料液比为1g:8ml，将正硅酸乙酯加入体积比为2:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至3，保持30min，再调节pH值至7，保持60min，在40℃下加热搅拌，形成质量分数为3％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:8ml，将纤维素晶须置于体积比为2:1的乙醇水混合液中，在300W的功率下超声处理30-60min，形成质量分数为4％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.3份的乙醇，充分搅拌30min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入3份的质量分数为10％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化24h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为50:10:15。
实施例2：
(1)以料液比为1g:15ml，将正硅酸乙酯加入体积比为1:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至4，保持90min，再调节pH值至8，保持120min，在50℃下加热搅拌，形成质量分数为5％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:10ml，将纤维素晶须置于体积比为1:1的乙醇水混合液中，在500W的功率下超声处理60min，形成质量分数为8％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.5份的乙醇，充分搅拌60min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入8份的质量分数为15％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化36h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为70:20:30。
实施例3：
(1)以料液比为1g:10ml，将正硅酸乙酯加入体积比为2:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至3.5，保持60min，再调节pH值至7.5，保持90min，在45℃下加热搅拌，形成质量分数为4％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:9ml，将纤维素晶须置于体积比为1:1的乙醇水混合液中，在400W的功率下超声处理50min，形成质量分数为5％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.4份的乙醇，充分搅拌50min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入5份的质量分数为12％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化30h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为60:15:20。
实施例4：
(1)以料液比为1g:12ml，将正硅酸乙酯加入体积比为1:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至4，保持50min，再调节pH值至8，保持100min，在50℃下加热搅拌，形成质量分数为4.5％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:8ml，将纤维素晶须置于体积比为1:1的乙醇水混合液中，在450W的功率下超声处理40min，形成质量分数为5％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.3份的乙醇，充分搅拌40min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入5份的质量分数为15％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化24h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为60:15:25。
实施例5：
(1)以料液比为1g:15ml，将正硅酸乙酯加入体积比为1:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至3，保持90min，再调节pH值至7，保持120min，在40℃下加热搅拌，形成质量分数为3.5％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:8ml，将纤维素晶须置于体积比为1:1的乙醇水混合液中，在500W的功率下超声处理30min，形成质量分数为6％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.4份的乙醇，充分搅拌50min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入4份的质量分数为135％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化36h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为65:10:30。
实施例6：
(1)以料液比为1g:13ml，将正硅酸乙酯加入体积比为2:1的乙醇水混合液中，混合搅拌，先调节pH值至3，保持55min，再调节pH值至8，保持100min，在40℃下加热搅拌，形成质量分数为5％的硅的前驱体溶液。
(2)将棉纤维经硫酸水解后形成长度为100-200nm的纤维素晶须，以料液比为1g:10ml，将纤维素晶须置于体积比为2:1的乙醇水混合液中，在500W的功率下超声处理50min，形成质量分数为5％的纤维素前驱体溶液。
(3)按体积份计，将1份的硅的前驱体溶液和1份的纤维素前驱体溶液混合，调节pH值至5，滴加0.5份的乙醇，充分搅拌60min，形成溶胶体系，将溶胶体系加入7份的质量分数为14％的高分子量的PVP水溶液中，均质搅拌，得到纺丝液。
(4)将纺丝液经机械抽丝，形成初纺纤维，将初纺纤维浸渍于乙醇溶液中老化24h，取出，真空干燥，形成基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维，其中，基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维中PVP、二氧化硅气凝胶和纤维素气凝胶的质量比为55:20:25。
经检测，实施例1-6制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维的直径、导热系数和机械性能的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的基于二氧化硅和纤维素的气凝胶纤维保温性能优良，机械性能好，符合使用要求。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。