本发明属于材料与环保领域，更具体涉及一种植物多糖气凝胶空气净化材料，同时还涉及一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法。
背景技术：
现代社会经济的飞速发展造成了空气环境的污染与恶化，急需一些新材料来解决这些问题。气凝胶材料的出现和应用，提供了一种解决空气污染的方法，与传统技术相比，气凝胶吸附剂具有很多优点，如很少或根本没有吸附损失，废物处置费用低，效率高和重复利用等。气凝胶(aerogel)又称为干凝胶，是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的具有纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。气凝胶材料具有连续的三维空间网状结构、连续可调的密度、低弹性模量及典型的分形结构等，所有这些不仅使得该材料在基础研究中引起人们的兴趣，且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景,如液体过滤材料、吸附剂及气体过滤材料等。研究发现不同类型的疏水性硅气凝胶能吸附乙醇、甲苯、氯苯、三氯乙烯等有机溶剂和原油，且其吸附性能为活性炭的两到三倍。m.s.ahmed.etal.等研究发现金属氧化物气凝胶(含cao,mgoandsio2)等可以吸附吸附co2、so2、nox、co和h2s等废气。f.j.maldonado-hodar.etal.等研究发现含有可控尺寸的碳气凝胶能吸附甲苯量达1180mg/g，并在400℃下能完全解吸。s.jun.etal.等硅气凝胶对苯蒸气的吸附量达3000mg/g。liuetal.等研究发现掺杂二氧化钛的石墨烯气凝胶能通过吸附和催化效应对空气中的污染物进行吸附过滤。然而，目前大部分气凝胶的原料(前驱体)来源于石油产品，其资源有限、成本高、毒性大、降解困难，以石油产品为原料制备的气凝胶应用有限。因此，急需探索来源丰富、环境友好的原料制备气凝胶。
魔芋葡甘聚糖、明胶、马铃薯淀粉和小麦秸秆等材料均来源丰富，是可再生资源，具有良好的安全性、生物降解性、生物相容性等，是制备有机气凝胶的理想材料；植物多糖气凝胶材料的制备和应用适应低碳产业的要求，代表了气凝胶发展的一个重要方向。目前我们已利用魔芋葡甘聚糖、马铃薯淀粉、羟丙基甲基纤维素、卡拉胶、果胶、海藻酸钠、琼脂等植物多糖为原料，开发出新型卷烟过滤材料，证实其能有效降低烟气中的尼古丁、焦油和烟碱含量，并取得相关专利(植物多糖香烟过滤嘴及制备方法，zl201110231849.6)。因此采用魔芋葡甘聚糖为主要材料，利用其吸附性，研究制备植物多糖气凝胶过程中对冰晶体尺寸和孔结构的控制，以达到更好的吸附性很有必要。
技术实现要素：
本发明的目的是在于还涉及提供了一种植物多糖气凝胶空气净化材料，采用可再生原料制成，来源广。由于其原料组成成分主要为天然植物多糖，使用后的废气物可被土壤中的微生物分解利用，使其具备生物可降解性，且降解后的产物不会对环境造成污染，具有良好的环保性。
本发明的另一目的是在于提供一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法。选择来源丰富，具有可生物降解的魔芋葡甘聚糖、明胶、淀粉和秸秆为原料，经过溶胶-凝胶过程，运用冷冻干燥法制备植物多糖气凝胶。冷冻干燥法制备气凝胶过程操作简单，设备成本低，可大规模生产，生产过程无三废，具有可操作性。
本发明制得的植物多糖气凝胶空气净化材料具有丰富的网状结构，具有比表面积大、孔隙率高、密度小等特性，优良的吸附性能，对空气中微粒、粉尘、甲醛、异味等有好的吸附效果，可以作为高效空气净化器和口罩的主要材料使用。用于空气净化，以实现对由于汽车尾气的排放、道路及建筑施工的扬尘、工厂废气的排放、生物质(秸秆、木柴)的燃烧以及垃圾的焚烧等产生的微粒和粉尘以及有害气体的吸附。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种植物多糖气凝胶空气净化材料，它由以下质量百分含量的原料制成：
所述的淀粉为绿豆淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉其中的一种或2～5种任意比例的混合物。
植物秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其它农作物(通常为粗粮)在收获籽实后的剩余部分。所述的植物秸秆粉的目数为100～400目。
所述的无机填料为纳米碳酸钙(10-100nm)、纳米二氧化硅(7～40nm)、纳米氧化铝(30nm)、纳米钠蒙脱土(20～50nm)其中的一种或2～4种任意比例的混合物。
一种植物多糖气凝胶空气净化材料，它由以下质量百分含量的原料制成(优选范围)：
一种植物多糖气凝胶空气净化材料，它由以下质量百分含量的原料制成(较好范围)：
一种植物多糖气凝胶空气净化材料，它由以下质量百分含量的原料制成(最好范围)：
一种植物多糖气凝胶空气净化材料，它由以下质量百分含量的原料制成(最佳值)：
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料：
取一定配比的淀粉、明胶和水混合，在温度50～100℃下搅拌10～60min，转速100～1000rpm；再将一定比例的魔芋葡甘聚糖、植物秸秆粉和无机填料加入其中，在温度为50～100℃，搅拌速度为100～5000rpm条件下，搅拌30～120min后，，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
50～100℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为0.5～10mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于4～30℃环境中老化，老化时间为0.5～24h。
(4)预冷冻
将步骤(3)所得的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-60～-10℃，时间为2～24h。
(5)冻干
将步骤(4)所得预冷冻品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-60～-10℃，真空度低于10～200pa，干燥时间为6～36h。
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
本发明进一步对植物多糖气凝胶净化材料进行表面疏水改性以提高其耐水性，采用以下步骤：
(1)将甲基三氯硅烷与气凝胶样品分开同时放置在真空干燥器内。
(2)干燥器密封，抽真空至10～100kpa以下，加热到30～60℃，反应6～18h。
(3)反应完成后移除未反应的甲基三氯硅烷与副产物，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应1～5h。
本发明与现有空气净化材料相比具有如下优点：
(1)由于使用可再生多糖蛋白等原料，使其来源丰富；
(2)由于使用的原料主要为天然植物多糖，使用后废弃物可被微生物分解利用，具有生物降解性，且降解产物对环境无污染；
(3)由于使用了秸秆这种植物原料，既解决了其处理问题，又降低了原料成本；
(4)本发明选用魔芋葡甘聚糖和淀粉为主要原料，并添加了明胶蛋白，制得的植物多糖气凝胶材料具有丰富的网状结构(孔径处于0.002～300μm)，具有比表面积大、孔隙率高(80.00％～99.8％)、密度小(0.003～0.50g/cm3)等特性，其优良的吸附性能(pm2.5颗粒的过滤效率30～99.99％)，对空气中微粒、粉尘、甲醛、异味等有害气体有好的的吸附效果，可以作为空气净化材料应用，在吸附材料的应用方面有广阔的前景。
附图说明
图1为通过溶胶-凝胶、冷冻干燥法制备的植物多糖气凝胶样品的形貌。
图2为不同预冷冻温度下的气凝胶的sem图片。
其中：a为实施例2中制备的气凝胶图片，预冷冻温度为-15℃；b为实施例4中制备的气凝胶图片，预冷冻温度为-25℃；c为实施例5中制备的气凝胶图片，预冷冻温度为-35℃；d为实施例7中制备的气凝胶图片，预冷冻温度为-45℃。
图3为含不同添加量淀粉的气凝胶的强度与弹性曲线。
图4为由实施例一、二、三、四制备的气凝胶的过滤效率曲线。
其中：横坐标代表过滤颗粒的粒径，纵坐标代表过滤效率；
—◆—为实施例1，—▲—为实施例2，—●—为实施例3，—■—为实施例4。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
下面实施例中所采用的纳米碳酸钙粒径分布在10-100nm，纳米二氧化硅粒径粒径分布在7～40nm，纳米氧化铝粒径为30nm，纳米钠基钠蒙脱土粒径分布在20～50nm。
实施例1
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
1g淀粉、3g明胶和93.9g水混合，在温度60℃下搅拌20min，转速500rpm；再1g魔芋葡甘聚糖、1g水稻秸秆粉和0.1g纳米碳酸钙加入其中，在温度为60℃，搅拌速度为800rpm条件下，搅拌60min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
60℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为2mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于30℃环境中老化，老化时间为2h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-10℃，时间为8h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-10℃，真空度为200pa，干燥时间为10h。
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。其密度为0.0269g/cm3，抗压强度为180kpa，弹性为0.65，平均孔径为315nm，比表面积为60m2/g，孔隙率为80％，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为38.0％。
实施例2
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
2g淀粉、2g明胶和92.3g水混合，在温度80℃下搅拌20min，转速600rpm；再1.5g魔芋葡甘聚糖、2g小麦秸秆粉和0.2g纳米碳酸钙加入其中，在温度为80℃，搅拌速度为900rpm条件下，搅拌90min后，脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
80℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于20℃环境中老化，老化时间为6h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-15℃，时间为10h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-15℃，真空度为100pa，干燥时间为18h。
(6)脱模
将样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。其密度为0.0314g/cm3，抗压强度为287kpa，弹性为0.75，平均孔径为256nm，比表面积为80m2/g，孔隙率为83％，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为59.09％。
如图2中图片a所示，植物多糖气凝胶材料具有丰富的网状结构，有蜂窝状孔洞出现，孔径分布较为均匀。
实施例3
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
3g淀粉、2g明胶和90.7g水混合，在温度90℃下搅拌20min，转速600rpm；再1g魔芋葡甘聚糖、3g玉米秸秆粉和0.3g纳米二氧化硅加入其中，在温度为90℃，搅拌速度为1000rpm条件下，搅拌90min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
90℃下将混合溶胶倒入模具中成型，成型厚度为5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于15℃环境中老化，老化时间为10h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-20℃，时间为10h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-20℃，真空度为25pa，干燥时间为24h。
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。其密度为0.0375g/cm3，抗压强度为436kpa，弹性为0.81，平均孔径为206nm，比表面积为106m2/g，孔隙率为90.6％，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为76.81％。
实施例4
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
4g淀粉、2g明胶和91.5g水混合，在温度90℃下搅拌30min，转速600rpm；再1g魔芋葡甘聚糖、1g甘蔗秸秆粉和0.5g纳米二氧化硅加入其中，在温度为90℃，搅拌速度为1200rpm条件下，搅拌120min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
90℃下将样品倒入模具中成型，成型厚度为5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于4℃环境中老化，老化时间为12h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-25℃，时间为12h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-25℃，真空度为25pa，干燥时间为28h。
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。如图3所示，其密度为0.0315g/cm3，抗压强度为389kpa，弹性为0.73，平均孔径为185nm，比表面积为131m2/g，孔隙率为95.6％，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为97.32％。
如图2中图片b所示，植物多糖气凝胶材料结构整体均一性好，没有明显的残缺部分，空隙结构圆润、排布整齐有规律，孔径分布均匀。
实施例5
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
4g淀粉、2g明胶和89.6g水混合，在温度90℃下搅拌30min，转速800rpm；再1g魔芋葡甘聚糖和3g油菜秸秆粉和0.4g纳米氧化铝加入其中，在温度为90℃，搅拌速度为1000rpm条件下，搅拌90min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
90℃下将样品倒入模具中成型，成型厚度为5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于4℃环境中老化，老化时间为2h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-35℃，时间为10h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-35℃，真空度为10pa，干燥时间为24h。
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。其密度为0.044g/cm3，抗压强度为475kpa，弹性为0.80，平均孔径为85nm，比表面积为101m2/g，孔隙率为93.6％，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为95.32％。
如图2中图片c所示，植物多糖气凝胶材料整体孔径比较细小，局部有层状结构出现。
实施例6
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
3g淀粉、3g明胶和90.9g水混合，在温度90℃下搅拌30min，转速800rpm；再0.5g魔芋葡甘聚糖、2g棉花秸秆粉和0.6g纳米氧化铝加入其中，在温度为90℃，搅拌速度为1000rpm条件下，搅拌120min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
90℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为10mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于4℃环境中老化，老化时间为24h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-25℃，时间为24h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-25℃，真空度为10pa，干燥时间为36h；
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
(7)气凝胶表面疏水化处理
将甲基三氯硅烷单独盛放在玻璃瓶容器内，再与气凝胶样品一起放置在真空干燥器内。干燥器密封，抽真空至10kpa以下，加热到60℃，反应12h。反应完成后移除未反应的硅烷与副产物盐酸，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应超过5h。得到的疏水化气凝胶材料的密度为0.0407g/cm3，抗压强度为414kpa，弹性为0.78，平均孔径为108nm，比表面积为161m2/g，孔隙率为95.6％，其表面水接触角为136°，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为97.87％。
实施例7
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
0.1g淀粉、4.9g明胶和86.8g水混合，在温度100℃下搅拌10min，转速1000rpm；再2.5g魔芋葡甘聚糖、5g油菜秸秆粉和0.7g纳米钠基蒙脱土加入其中，在温度为100℃，搅拌速度为5000rpm条件下，搅拌30min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
100℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为0.5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于10℃环境中老化，老化时间为8h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-45℃，时间为2h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-45℃，真空度为150pa，干燥时间为6h；
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
(7)气凝胶表面疏水化处理
将甲基三氯硅烷单独盛放在玻璃瓶容器内，再与气凝胶样品一起放置在真空干燥器内。干燥器密封，抽真空至10kpa以下，加热到60℃，反应12h。反应完成后移除未反应的硅烷与副产物盐酸，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应超过5h。得到的疏水化气凝胶材料的密度为0.0526g/cm3，抗压强度为421kpa，弹性为0.82，平均孔径为55nm，比表面积为78m2/g，孔隙率为78.6％，表面水接触角为128°，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为78.85％。
如图2中图片d所示，植物多糖气凝胶材料整体呈现出连通的树枝状的孔结构，同时有细小的圆孔结构分布其中。
实施例8
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
6g淀粉、0.1g明胶和93.1g水混合，在温度50℃下搅拌60min，转速100rpm；再0.1g魔芋葡甘聚糖、0.1g油菜秸秆粉和0.6g纳米钠基蒙脱土加入其中，在温度为50℃，搅拌速度为100rpm条件下，搅拌110min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
50℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为8mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于25℃环境中老化，老化时间为4h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-20℃，时间为20h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-20℃，真空度为80pa，干燥时间为30h；
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
(7)气凝胶表面疏水化处理
将甲基三氯硅烷单独盛放在玻璃瓶容器内，再与气凝胶样品一起放置在真空干燥器内。干燥器密封，抽真空至10kpa以下，加热到60℃，反应12h。反应完成后移除未反应的硅烷与副产物盐酸，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应超过5h。得到的疏水化气凝胶材料的密度为0.521g/cm3，抗压强度为487kpa，弹性为0.67，平均孔径为102nm，比表面积为95m2/g，孔隙率为68.6％，表面水接触角为129°，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为80.51％。
实施例9
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
5g淀粉、4g明胶和89.2g水混合，在温度50℃下搅拌60min，转速100rpm；再0.3g魔芋葡甘聚糖、0.5g油菜秸秆粉和0.2g纳米碳酸钙、0.2g纳米二氧化硅、0.4g纳米氧化铝、0.2g钠蒙脱土加入其中，在温度为50℃，搅拌速度为100rpm条件下，搅拌110min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
50℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为8mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于25℃环境中老化，老化时间为4h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-25℃，时间为20h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-25℃，真空度为60pa，干燥时间为28h；
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
(7)气凝胶表面疏水化处理
将甲基三氯硅烷单独盛放在玻璃瓶容器内，再与气凝胶样品一起放置在真空干燥器内。干燥器密封，抽真空至10kpa以下，加热到60℃，反应12h。反应完成后移除未反应的硅烷与副产物盐酸，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应超过5h。得到的疏水化气凝胶材料的密度为0.0890g/cm3，抗压强度为512kpa，弹性为0.63，平均孔径为75nm，比表面积为180m2/g，孔隙率为88.6％，表面水接触角为135°，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为89％。
实施例10
一种植物多糖气凝胶空气净化材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)溶胶-凝胶配料
0.5g淀粉、5g明胶和88g水混合，在温度50℃下搅拌60min，转速100rpm；再2g魔芋葡甘聚糖、4g油菜秸秆粉和0.5g纳米钠基蒙脱土加入其中，在温度为50℃，搅拌速度为100rpm条件下，搅拌110min后，真空脱气泡处理，得到混合溶胶。
(2)注膜
50℃下将混合溶胶样品倒入模具中成型，成型厚度为5mm。
(3)老化处理
将装有混合溶胶的模具置于25℃环境中老化，老化时间为4h。
(4)预冷冻
将步骤(3)中的半成品置于冷冻环境中预冷冻，预冷冻温度为-25℃，时间为20h。
(5)冻干
将步骤(4)中的半成品置于冻干机中冷冻干燥，温度为-25℃，真空度为40pa，干燥时间为30h；
(6)脱模
将冻干的样品从模具中取出，即得到植物多糖气凝胶空气净化材料。
(7)气凝胶表面疏水化处理
将甲基三氯硅烷单独盛放在玻璃瓶容器内，再与气凝胶样品一起放置在真空干燥器内。干燥器密封，抽真空至10kpa以下，加热到60℃，反应12h。反应完成后移除未反应的硅烷与副产物盐酸，表面处理过的气凝胶在真空干燥器内继续反应超过5h。得到的疏水化气凝胶材料的密度为0.0408g/cm3，抗压强度为390kpa，弹性为0.86，平均孔径为55nm，比表面积为208m2/g，孔隙率为95.6％，表面水接触角为134°，采用8130型滤料综合性能测试台测得pm2.5过滤效率为95.8％。