专利名称：一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法
技术领域：
本发明涉及了一种制备气凝胶的方法。
背景技术：
随着石油资源的快速消失和石化产品消耗引起的环境污染，开始使全世界开始关注可再生的木质生物质资源作为能取代石油化工资源的替代资源。木质纤维素生物质资源包括木材废料、造纸残渣、农作物非食用部分、资源作物等。木质纤维素是地球上含量最丰富的生物质，广泛地存在于木本、草本植物中。其主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等高分子，纤维素被半纤维素包裹着，外层再由木质素紧密包埋，相互结合成为坚固的细胞壁。其中纤维素约为35 - 50%、半纤维素为20 - 35%，木质素约为5 - 30%。但目前的“生物精炼”概念中，认为只有纤维素和半纤维素可以被广泛地开发为化学品和新材料。而结构最复杂的木质素，是以苯丙烷为单位，通过醚键和碳-碳键联结而成的无定形高聚物。这种高分子化合物含有芳香基、酚羟基醇羟基、羧基、甲氧基、羧基、共轭双键等活性基团，目前并没有得到高价值的利用，由于缺少合适的技术将其转化成高价值的材料，绝大多数的木质素被用于焚烧。继续开发的新技术中应包括将木质纤维素中的所有组分(包括木质素)转化为新型材料，例如木质纤维素气凝胶，以更好地迎合环境、经济、科技的种种挑战。与传统的无机气凝胶(Si02，TiO2和Fe2O3)相比，聚合物气凝胶具有更高的机械强度，能承受更高的冲击力。同时，木质纤维素气凝胶还具有成为柔性导体的潜力，因为它可以通过碳化形成交联的碳气凝胶。为了合成木质纤维素气凝胶，首当其冲的挑战就是将木质纤维素溶解在工作介质中。因此，我们使用了一类对生物大分子具有高溶解性的新型溶剂一离子液体(ILs)。特别是AMImCl (1-烯丙基-甲基咪唑氯盐l-allyl-3-methylimidazoliumchloride)作为适宜溶解纤维素和木质素的工作介质,可以破坏木质纤维素各组分分子间的氢键，瓦解木质素与半纤维素对纤维素的保护作用，破坏纤维素的结晶结构，将各组分大分子相互分开，使木质纤维素完全溶解。但是目前的溶解技术需要至少4h的时间，通常要加长快速的机械搅拌，才能完全的将木质纤维素溶解，而且在制备木质纤维素气凝胶的过程中，还需要通过反复的冻融过程使高分子发生物理交联，这一过程耗时长、步骤较复杂，不能快速、大量的生产木质纤维素气凝胶材料。
发明内容
本发明是要解决现有的木质纤维素气凝胶材料制备方法中溶解速度慢、制备周期长，不能满足市场需求的问题，而提供了一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法。一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，具体是按以下步骤进行的:一、取木质纤维素原料经水洗除杂、干燥及粉碎后，过40 200目筛网，然后将木质纤维素原料与离子液体按质量比为0.1 20:100的比例混合后，加热至150 200°C搅拌5 20min后,得木质纤维素溶液；二、将上述溶液冷却；三、向步骤二冷却后的木质纤维素溶液中加入非溶剂，得凝胶；四、将步骤三得到的凝胶经临界点干燥、超临界干燥或者冷冻干燥后，即得木质纤维素气凝胶。本发明具有以下有益效果:一、现有的方法制备出的木质纤维素气凝胶在离子液体中溶解效率较低，至少需要4h以上的溶解时间，而本发明提供的制备方法的木质纤维素气凝胶在离子液体中溶解时间不超过20min,可以满足市场的需求；二、本发明提供的制备方法，制备过程简单，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉且环保绿色，制备方法安全性高，不会给环境带来污染；三、本发明方法制备的木质纤维素气凝胶可直接在非溶剂中沉淀胶凝，不需要反复的冻融处理；四、本发明提供的制备方法过程简单，工艺容易控制。五、本发明提供的制备方法制备的木质气凝胶用途广泛，可用于隔声、绝热、吸油、包装材料、储能材料、负载纳米粒子、碳气凝胶前驱体等，属于高附加值产品，有广泛应用前
旦
-5^ O本发明步骤一中温度必须高于木质素的玻璃化温度，虽然原料木质素种类和含水率的不同会影响玻璃化温度，但加热温度不低于150°C。由于所使用的离子液体在较高的温度下易分解，加热的温度不能高于200°C,加热的时间不能超过20min。
图1为试验I制得的山黄麻木质纤维素气凝胶的SEM图；图2为试验2制得的玉米皮木质纤维素气凝胶的SEM图；图3为试验3制得的玉米秸杆木质纤维素气凝胶的SEM图；图4为试验4制得的制备的杉木木质纤维素气凝胶的SEM图；图5为试验5制得的竹子木质纤维素气凝胶的SEM图。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的任意组合。
具体实施方式
一:本实施方式的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，具体是按以下步骤进行的:一、取木质纤维素原料经水洗除杂、干燥及粉碎后，过40 200目筛网，然后将木质纤维素原料与离子液体按质量比为0.1 20:100的比例混合后，加热至150 200°C搅拌5 20min后,得木质纤维素溶液；二、将上述溶液冷却；三、向步骤二冷却后的木质纤维素溶液中加入非溶剂，得凝胶；四、将步骤三得到的凝胶经临界点干燥、超临界干燥或者冷冻干燥后，即得木质纤维素气凝胶。本实施方式具有以下有益效果:一、现有的方法制备出的木质纤维素气凝胶在离子液体中溶解效率较低，至少需要4h以上的溶解时间，而本实施方式提供的制备方法的木质纤维素气凝胶在离子液体中溶解时间不超过20min,可以满足市场的需求；二、本实施方式提供的制备方法， 制备过程简单，不需要昂贵设备，原料来源广泛、成本低廉且环保绿色，制备方法安全性高，不会给环境带来污染；三、本实施方式方法制备的木质纤维素气凝胶可直接在非溶剂中沉淀胶凝，不需要反复的冻融处理；四、本实施方式提供的制备方法过程简单，工艺容易控制。五、本实施方式提供的制备方法制备的木质气凝胶用途广泛，可用于隔声、绝热、吸油、包装材料、储能材料、负载纳米粒子、碳气凝胶前驱体等，属于高附加值产品，有广泛应用前景。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一不同的是:步骤一中所述的木质纤维素原料为含有木质素的生物质原料，其中，含有木质素的生物质原料包括木材废料、造纸残渣、农作物非·食用部分或资源作物。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是:步骤一中所述的木质纤维素原料与离子液体按质量比为0.5 15:100的比例混合。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是:步骤一中所述的木质纤维素原料与离子液体按质量比为I 10:100的比例混合。其它与具体实施方
式一至三之一相同。
具体实施方式
五:本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是:步骤一中所述的木质纤维素原料与离子液体按质量比为5:100的比例混合。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六:本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是:步骤一中所述的离子液体为季铵类的氯代盐、二烷基咪唑类羧酸盐、N-烷基吡啶类羧酸盐、季铵类的羧酸盐、二烷基咪唑类磷酸酯盐、N-烷基吡啶类磷酸酯盐或季铵类的烷基磷酸酯盐。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七:本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是:1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1- 丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1- 丁基_2，3- 二甲基咪唑氯盐、1- 丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1- 丁基-3-乙基咪唑二氰胺盐或1-烷基-3-甲基咪唑离子液体。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八:本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是:步骤一中所述的加热至150 180°C搅拌5 8min。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九:本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是:步骤一中所述的加热至170°C搅拌6min。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十:本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是:步骤一中所述的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，其中，所述的搅拌在温度为150 200°C,转速为300 600rpm的条件下搅拌5 30min,或者在室温下以100 300rpm的速度搅拌5 30min后，再以I 10°C /min的速度升温至150 200°C，在转速为300 600rpm的条件下搅拌。其它与具体实施方式
一至九之一相同。
具体实施方式
i^一:本实施方式与具体实施方式
一至十之一不同的是:步骤一中所述的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，其中，所述的搅拌在温度为160 180°C,转速为400 500rpm的条件下搅拌10 20min，或者在室温下以150 250rpm的速度搅拌10 20min后，再以4 6°C /min的速度升温至160 180°C,在转速为400 500rpm的条件下搅拌。
其它与具体实施方式
一至十之一相同。
具体实施方式
十二:本实施方式与具体实施方式
一至^ 之一不同的是:步骤一中所述的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，其中，所述的搅拌在温度为170°C,转速为450rpm的条件下搅拌15min,或者在室温下以200rpm的速度搅拌15min后，再以5°C /min的速度升温至170°C,在转速为450rpm的条件下搅拌。其它与具体实施方式
一至^ 之一相同。
具体实施方式
十三:本实施方式与具体实施方式
一至十二之一不同的是:步骤二中将溶液冷却的具体方法为:在室温下放置2 4h，或者在温度为O _40°C条件下冷冻2 4h。其它与具体实施方式
一至十二之一相同。
具体实施方式
十四:本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是:步骤二中将溶液冷却的具体方法为:在室温下放置3h，或者在温度为-10 _30°C条件下冷冻3h。其它与具体实施方式
一至十三之一相同。
具体实施方式
十五:本实施方式与具体实施方式
一至十四之一不同的是:步骤三中所述的非溶剂为去离子水、丙酮、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、叔丁醇、环己烷的一种或其中任意两种按任意比混合的混合液。其它与具体实施方式
一至十四之一相同。
具体实施方式
十六:本实施方式与具体实施方式
一至十五之一不同的是步骤四中所述的干燥方式为冷冻干燥、干燥介质为二氧化碳的临界点干燥或干燥介质为二氧化碳的超临界干燥。其它与具体实施方式
一至十五之一相同。通过以下试验验证本发明的有益效果:试验I本试验的一种快速溶解山黄麻木质纤维素气凝胶的方法，具体是按照以下步骤进行的:—、取山黄麻木材废料，用水清洗干净，干燥至无水后粉碎并过60 80目筛网，然后将取5g的山黄麻木粉与IOOg的1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体混合均匀，在150°C温度下，以300rpm的转速进行磁力搅拌5min后，得木粉山黄麻离子液体溶液；二、将步骤一得到的木粉山黄麻离子液体溶液在室温下放置6h ;三、向步骤二冷却的木粉山黄麻离子液体溶液中加入200mL去离子水后，置换得到山黄麻木质纤维素凝胶；四、将步骤三得到的山黄麻木质纤维素凝胶，经以二氧化碳为干燥介质的超临界干燥，即得到山黄麻木质纤维素气凝胶。图1为本试验制备的山黄麻木质纤维素气凝胶的SEM图，由图1可以得出溶解的山黄木木质纤维素相互交联形成典型的气凝胶结构。试验2本试验的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法与试验I的不同点在于:所用的木质纤维素原料为玉米皮。其它步骤和参数与试验I相同。图2为制备的玉米皮木质纤维素气凝胶的SEM图，由图2可以看出溶解的玉米皮木质纤维素已经溶解并形成了三维网络结构。
试验3本试验的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法与试验I的不同点在于:所用的木质纤维素原料为玉米秸杆。其它步骤和参数与试验I相同。
图3为制备的玉米秸杆木质纤维素气凝胶的SEM图，由图3可以看玉米结构已经溶解，并且形成多孔结构。试验4本试验的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法与试验I的不同点在于:所用的木质纤维素原料为杉木。其它步骤和参数与试验I相同。图4为制备的杉木木质纤维素气凝胶的SEM图，由图4可以杉木经溶解后制成的气凝胶具有多孔结构。试验5本试验的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法与试验I的不同点在于:所用的木质纤维素原料为竹子。其它步骤和参数与试验I相同。图5为制备的竹子木质纤维素气凝胶的SEM图，由图5可以得出竹子木质纤维素气凝胶具有多孔的三维网络 结构。
权利要求
1.一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于利用木质纤维素气凝胶是按以下步骤完成的:一、取木质纤维素原料经水洗除杂、干燥及粉碎后，过40 200目筛网，然后将木质纤维素原料与离子液体按质量比为0.1 20:100的比例混合后，加热至150 200°C搅拌5 20min后,得木质纤维素溶液；二、将上述溶液冷却；三、向步骤二冷却后的木质纤维素溶液中加入非溶剂，得凝胶；四、将步骤三得到的凝胶经临界点干燥、超临界干燥或者冷冻干燥后，即得木质纤维素气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的木质纤维素原料为含有木质素的生物质原料，其中，含有木质素的生物质原料包括木材废料、造纸残渣、农作物非食用部分或资源作物。
3.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的木质纤维素原料与离子液体按质量比为0.5 10:100的比例混合。
4.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的离子液体为季铵类的氯代盐、二烷基咪唑类羧酸盐、N-烷基吡啶类羧酸盐、季铵类的羧酸盐、二烷基咪唑类磷酸酯盐、N-烷基吡啶类磷酸酯盐或季铵类的烷基磷酸酯盐。
5.根据权利要 求4所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的离子液体为1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-丁基_2，3- 二甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-乙基咪唑二氰胺盐或1-烷基-3-甲基咪唑离子液体。
6.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的加热至150 18CTC搅拌5 8min。
7.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤一中所述的搅拌为磁力搅拌或机械搅拌，其中，所述的搅拌在温度为150 200°C，转速为300 600rpm的条件下搅拌5 30min,或者在室温下以100 300rpm的速度搅拌5 30min后，再以I 10°C /min的速度升温至150 200°C，在转速为300 600rpm的条件下搅拌。
8.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤二中将溶液冷却的具体方法为:在室温下放置2 4h，或者在温度为O _40°C条件下冷冻2 4h。
9.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤三中所述的非溶剂为去离子水、丙酮、二甲基亚砜、甲醇、乙醇、叔丁醇、环己烷的一种或其中任意两种按任意比混合的混合液。
10.根据权利要求1所述的一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，其特征在于步骤四中所述的干燥方式为冷冻干燥、干燥介质为二氧化碳的临界点干燥或干燥介质为二氧化碳的超临界干燥。
全文摘要
一种快速溶解木质纤维素制备气凝胶的方法，它涉及了一种制备气凝胶的方法。本发明要解决现有的木质纤维素气凝胶溶解效率低，不能满足市场需求的问题。方法如下一、以天然木质纤维素为溶质，以离子液体为溶剂；二、快速溶解木质纤维素，形成棕色溶液；三、将溶液冷却后倒入反溶剂，使木质纤维素溶液沉淀凝胶化；四、换数次反溶剂，将离子液体完全置换出来，形成木质纤维素水凝胶；五、干燥处理水凝胶得到气凝胶材料。本发明所用离子液体可回收循环利用，制备的木质气凝胶有着优异的多孔结构，形态完整并具有一定的力学强度。加快了低质木材资源的高效利用。
文档编号C08J3/11GK103146017SQ201310070780
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者李坚, 卢芸, 孙庆丰, 刘一星 申请人:东北林业大学