一种生物质纤维基三维多孔材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种生物质纤维基三维多孔材料及其制备方法，所述的生物质纤维基三维多孔材料包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：对生物质原料进行纯化处理；对纯化后的生物质材料进行活化处理；配制生物交联剂溶液，利用取向高速打浆法将生物质材料分散在该溶液中，形成长径比为10～30000的生物质纤维的均匀分散液；将所述的分散液进行成型处理，制得生物质纤维基三维多孔材料。本发明的优点是原料选择广泛、无污染、制备工艺简单、成本低、结构可控，在生物医用、组织工程、能源、环保、航空航天等领域都具有巨大应用价值。
【专利说明】一种生物质纤维基三维多孔材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质纤维多孔材料领域，尤其涉及生物质纤维基三维多孔材料及其制备方法，所制备的材料可用于环保材料、组织工程、生物医学等【技术领域】。
【背景技术】
[0002]纤维基三维多孔材料由于其具备轻质、孔隙率高、比表面积大等特性，在众多领域具有广泛的应用前景。目前，用于制备纤维基三维多孔材料的原料主要为化工类产品，存在不可再生、污染环境等缺陷，从而限制了其在生物材料、环保、能源、产业化等领域的应用。生物质材料广泛存在于纤维素类、蛋白质类和多糖大分子类等自然资源中，具备种类多、来源广、生物相容性、环保性等特点。生物质纤维基三维多孔材料由于同时具备可再生、无污染、质轻、连通性好且赋予材料纤维结构的优势，已成为可持续能源开发、生物医用材料、组织工程材料、环保材料等众多领域的研宄热点。
[0003]国内专利CN102443188、CN103272266、CN101502669 分别公开了一种非晶态纤维素气凝胶的制备方法、一种细菌纤维素三维陈列多孔支架的制备方法、一种丝素蛋白多孔三维材料的制备方法，然而上述专利所述材料的制备方法均存在原料适应性单一、加工复杂、耗时长等缺点，且所得三维多孔材料结构没有建立交联结构，导致力学性能差、无回弹性，从而限制了材料的应用性能；文献[Carbon Fiber Aerogel Made from Raw Cotton:A Novel, Efficient and Recyclable Sorbent for Oils and Organic Solvents.[J].Advance Materials，2013，25:5916-5921]报道了一种以原棉为原料，通过高温热解制备三维多孔材料的方法。此外，文献[B1mass-derived multifunct1nal magnetite carbonaerogel nanocomposites for recyclable sequestrat1n of 1nizable aromaticorganic pollutants.[J].Chemical Engineering Journal，2014，245:210-216]报道了一种以西瓜为原料，通过水热碳化法制备碳气凝胶的方法。文献[Carbon aerogel fromwinter melon for highly efficient and recyclable oils and organic solventsabsorpt1n.[J] ACS Sustainable Chemical.Engineering.2014，2:1492-1497]报道了以冬瓜作为原料，通过冷冻干燥和N2保护碳化的方法制备出碳气凝胶材料。然而上述文献所涉及材料结构均受限于纤维状天然生物质原料，所得材料结构难以调控且无法建立有效交联网络结构，材料结构稳定性差，不易回弹，且适应的原料单一，从而限制了其应用性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述技术存在的问题，提出一种生物质纤维基三维多孔材料及其制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了一种生物质纤维基三维多孔材料，其特征在于，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。
[0006]本发明还提供了上述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括:
[0007]第一步:对生物质原料进行纯化处理；
[0008]第二步:对纯化后的生物质材料进行活化处理；
[0009]第三步:配制生物交联剂溶液，利用取向高速打浆法将生物质材料分散在该溶液中，形成长径比为10?30000的生物质纤维的均匀分散液；
[0010]第四步:将所述的分散液进行成型处理，制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0011]优选地，所述的生物质原料包括植物、动物、微生物及其派生、排泄和代谢的有机质中的一种或几种组合。
[0012]优选地，所述的第一步中的纯化处理包括清洗。
[0013]更优选地，所述的第一步中的纯化处理还包括清洗后进行组分分离，如脱胶处理等。
[0014]优选地，所述的第二步中的活化处理方法为碱处理、超声波处理、酸处理和双氧水处理中的一种或多种组合。
[0015]优选地，所述的第三步中的生物交联剂溶液的质量分数为0.01?20%。
[0016]优选地，所述的第三步中的生物交联剂包括淀粉类、蛋白类、树胶类、木素类、单宁类、天然树脂类、纤维素类、天然橡胶、壳聚糖、明胶类、虫胶、京尼平中的一种或几种组合。
[0017]优选地，所述的第三步中的生物交联剂溶液的溶剂为对生物质纤维不具备溶解性的溶剂，包括水、乙醇、丙酮、叔丁醇、二甲基亚砜、环己酮、乙醚和莰烯中的一种或几种组入口 ο
[0018]优选地，所述的第三步中的分散液中生物质材料的质量分数为0.01?50%。
[0019]优选地，所述第三步中的取向高速打浆法为:利用具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆。
[0020]优选地，所述的第四步中的成型处理包括凝固、干燥处理。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022](I)本发明具有设备简单、成本低、技术可拓展性强等特点，可以根据不同应用需求对材料的物理化学结构进行精确调控。
[0023](2)本发明所得到的材料具有纤维状体型结构和内部连通的孔道结构，使得该材料具有比表面积大、孔隙率高、孔隙连通性好、结构可控性强、力学性能优异等特点。
[0024](3)本发明具有原料来源广、可再生、环保、成本低且具有生物相容性等优点，结合不同的功能化改性，可适用于能源、环保、航空航天、生物医药等一系列应用领域，具有巨大的商业及社会价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为实施例1中生物质纤维基三维多孔材料的扫描电镜照片。
[0026]图2为实施例1中生物质纤维基三维多孔材料的力学曲线。
【具体实施方式】
[0027]下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0028]实施例1
[0029]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0030]第一步:以植物生物质材料秸杆为原材料，筛选直径为15 μ m、长径比为500的秸杆、清洗处理；
[0031]第二步:将第一步处理后得到的秸杆进行活化处理，具体为:将其浸泡在质量分数为2%的氢氧化钠溶液中，并在100°C油浴锅中加热处理2小时，取出后用去离子水反复清洗至中性；
[0032]第三步:以淀粉类中的氧化淀粉为生物交联剂，配制质量分数为0.01%的氧化淀粉溶液，溶剂为乙醇，将处理后的秸杆分散于该氧化淀粉溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为1%的秸杆纤维的均匀分散液，分散液中秸杆纤维长径比为1000 ;
[0033]第四步:将所述秸杆的分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。如图1所示，为实施例1中生物质纤维基三维多孔材料的扫描电镜照片。图2为实施例1中生物质纤维基三维多孔材料的力学曲线。
[0034]实施例2
[0035]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0036]第一步:以植物生物质材料苎麻为原材料，筛选单纤维直径为30 μ m、长径比为6的苎麻纤维，清洗；
[0037]第二步:将第一步处理后的苎麻进行活化处理，具体为:将其浸泡在质量分数为2%的稀硫酸溶液中，水浴加热保持50°C，时间为2小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性，再用质量分数为0.05%的氢氧化钠溶液处理，并在120°C油浴锅中保持6小时，然后用去离子水反复清洗至中性；
[0038]第三步:以蛋白类中的蛋清蛋白为生物交联剂，配制质量分数为10%的蛋清溶液，溶剂为去离子水，将处理后的苎麻分散在该明蛋清溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆2小时得到质量分数为50%的苎麻纤维均匀分散液，分散液中苎麻纤维长径比为10 ;
[0039]第四步:将所述苎麻的分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0040]实施例3
[0041]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0042]第一步:以动物生物质材料蚕丝为原材料，筛选直径为14 μ m、长径比为500的蚕丝，清洗；
[0043]第二步:将第一步处理后的蚕丝进行活化处理，具体为:将其泡在质量分数为2%的稀硫酸溶液中，水浴加热保持100°c，时间为I小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性；
[0044]第三步:以树胶类中的果胶为生物交联剂，配制质量分数为20 %的果胶溶液，溶剂为乙醇，将处理后的蚕丝分散在该果胶溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为20%的蚕丝纤维均匀分散液，分散液中蚕丝纤维长径比为2000 ;
[0045]第四步:将所述蚕丝的分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0046]实施例4
[0047]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0048]第一步:以动物生物质材料蛛丝为原材料，筛选平均直径为5 μ m、长径比为8000的蛛丝，清洗；
[0049]第二步:将第一步处理后的蛛丝进行活化处理，具体为:将其泡在质量分数为2%的双氧水溶液中，水浴加热保持100°c，时间为2小时，取出后用去离子水反复冲洗5次；
[0050]第三步:以木素类中的贝克曼木素为生物交联剂，配制质量分数为0.01%的贝克曼木素溶液，溶剂为丙酮，将处理后的蛛丝分散在该贝克曼木素溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆0.5小时得到质量分数为0.01%的蛛丝纤维均匀分散液。分散液中蛛丝纤维长径比为30000 ；
[0051]第四步:将所述蛛丝的分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0052]实施例5
[0053]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0054]第一步:以植物生物质材料茄子为原材料，筛选平均直径为25 μπκ长径比为5的茄子纤维，清洗；
[0055]第二步:首先将第一步处理后的茄子进行活化处理，具体为:将其泡在质量分数为2%的氢氧化钠溶液中，水浴加热保持100°C，时间为2小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性，随后将处理后的茄子在质量分数为0.1 %的双氧水中进行超声处理20min，取出后用去离子水清洗5次。
[0056]第三步:以单宁类中的元宝楓单宁为生物交联剂，配制质量分数为0.01%的元宝楓单宁溶液，溶剂为二甲基亚砜，将处理后的茄子分散在该元宝楓单宁溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为0.01%的茄子纤维均匀分散液，分散液中茄子纤维长径比为10 ；
[0057]第四步:将所述前子的分散液在-100?-50°C下冷冻凝固，之后米用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0058]实施例6
[0059]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0060]第一步:以微生物物质材料细菌纤维素为原材料，对其进行筛选，清洗；
[0061]第二步:首先将第一步处理后的细菌纤维素进行活化处理，具体为:将其在质量分数为2 %的氢氧化钠溶液中，水浴加热保持100 °C，时间为I小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性，随后将处理后的细菌纤维素在质量分数为I %的双氧水中进行超声处理30分钟，取出后用去离子水清洗5次。
[0062]第三步:以天然树脂中的松香树脂和纤维素类中的硝化纤维素为生物交联剂，配制含质量分数为0.01 %的松香树脂，质量分数为0.01 %硝化纤维素的混合溶液，溶剂为乙醚，将处理后的茄子分散在上述混合溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为0.1%的细菌纤维素均匀分散液，分散液中细菌纤维素纤维长径比为20000 ;
[0063]第四步:将所述细菌纤维素的分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0064]实施例7
[0065]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0066]第一步:以植物生物质材料丝瓜为原材料，筛选平均直径为50 μπκ长径比为1200的丝瓜纤维，清洗；
[0067]第二步:首先将第一步处理后的丝瓜进行活化处理，具体为:将其在质量分数为I %的氢氧化钠溶液中，水浴加热保持100°c，时间为2小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性，随后将处理后的丝瓜在质量分数为2%的双氧水中进行超声处理10分钟，取出后用去离子水清洗5次。
[0068]第三步:以京尼平、明胶类中的骨胶和壳聚糖为生物交联剂，配制含质量分数为0.1 %的京尼平，质量分数为0.1 %骨胶和质量分数为0.1 %壳聚糖的混合溶液，溶剂为叔丁醇和水按质量比1:9配置的混合物，将处理后的丝瓜分散在上述混合溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为1%的丝瓜纤维均匀分散液，分散液中丝瓜纤维长径比为10000 ；
[0069]第四步:将所述的丝瓜纤维分散液在-100?-50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
[0070]实施例8
[0071]—种生物质纤维基三维多孔材料，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。其制备方法为:
[0072]第一步:以植物生物质材料芹菜为原材料，筛选平均直径为75 μπκ长径比为6000的芹菜纤维，清洗；
[0073]第二步:首先将第一步处理后的芹菜进行活化处理，具体为:将其在质量分数为I %的氢氧化钠溶液中，水浴加热保持100°c，时间为I小时，取出后用去离子水反复冲洗至中性，随后将处理后的芹菜在质量分数为I %的双氧水中进行超声处理10分钟，取出后用去离子水清洗5次。
[0074]第三步:以天然橡胶为生物交联剂，配制含质量分数为I %的天然橡胶溶液，溶剂为莰烯，将处理后的芹菜分散在上述天然橡胶溶液中，采用上海臻煊机电科技有限公司生产的具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打浆I小时得到质量分数为I %的序菜均勾分散液，分散液中序菜纤维长径比为15000 ；
[0075] 第四步:将所述的芹菜分散液在-100?_50°C下冷冻凝固，之后采用冷冻干燥方法制得生物质纤维基三维多孔材料。
【权利要求】
1.一种生物质纤维基三维多孔材料，其特征在于，包括生物质纤维，所述的生物质纤维相互交联支撑形成三维网络结构。
2.权利要求1所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括: 第一步:对生物质原料进行纯化处理； 第二步:对纯化后的生物质材料进行活化处理； 第三步:配制生物交联剂溶液，利用取向高速打浆法将生物质材料分散在该溶液中，形成长径比为10?30000的生物质纤维的均匀分散液； 第四步:将所述的分散液进行成型处理，制得生物质纤维基三维多孔材料。
3.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的生物质原料包括植物、动物、微生物及其派生、排泄和代谢的有机质中的一种或几种组合。
4.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第二步中的活化处理方法为碱处理、超声波处理、酸处理和双氧水处理中的一种或多种组入口 ο
5.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的生物交联剂溶液的质量分数为0.01?20%。
6.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的生物交联剂包括淀粉类、蛋白类、树胶类、木素类、单宁类、天然树脂类、纤维素类、天然橡胶、壳聚糖、明胶类、虫胶、京尼平的一种或几种组合。
7.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的生物交联剂溶液的溶剂为对生物质纤维不具备溶解性的溶剂，包括水、乙醇、丙酮、叔丁醇、二甲基亚砜、环己酮、乙醚和莰烯中的一种或几种组合。
8.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的分散液中生物质材料的质量分数为0.01?50%。
9.如权利要求2所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述第三步中的取向高速打浆法为:利用具有变频调速功能及定向往复刀头的取向高速打浆机进行取向打楽。
10.如权利要求1所述的生物质纤维基三维多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的第四步中的成型处理包括凝固、干燥处理。
【文档编号】C08L5/08GK104448382SQ201410756391
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】丁彬, 朱婕, 葛建龙, 王雪琴, 斯阳, 俞建勇 申请人:东华大学