一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法

本发明涉及新材料制备，尤其涉及一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法。

背景技术：

1、气凝胶是一种独特的固体材料，由相互连接的三维固体网络和大量充满空气的孔隙组成。纤维形式气凝胶的发展提供了一种可定制的、多功能的组装策略，其延展性的一维特性可以通过纺织策略制造成多维配置，可以帮助避免传统气凝胶的脆性和灵活性问题，拓宽应用领域。然而，对于所有未来的研究方向，气凝胶纤维的放大制造是一个特别关注的问题，因为在大多数应用中，非常需要大量的纤维聚集体，特别是对于纺织品和高科技领域的隔热应用。放大实施与纺丝技术和干燥技术密切相关，这将影响气凝胶纤维的生产速度。因此迫切需要开发可扩展、多功能和连续制备的新技术，以生产具有明确微结构的新型气凝胶纤维。

2、纤维素是地球上最丰富的天然聚合物，它具有生物可降解性、可再生性和亲水性等显着特性，并结合了气凝胶的优异性能，使其成为制备具有多种纤维素基气凝胶的有希望的候选材料。通常采用湿法纺丝方法制备纤维素湿凝胶纤维，凝胶形成后，干燥是获得最终气凝胶纤维的必要步骤。但从凝胶中去除液体溶剂同时避免已建立的网络结构收缩或开裂是一项重大挑战，因为湿凝胶中精细纳米结构可能无法承受直接干燥过程中由于液-气界面处的表面张力而坍塌，无法形成均匀有序的纳米孔网络。

3、现有技术cn201610473161.1公开了一种连续纤维素气凝胶纤维及其制备方法，该纤维素纺丝过程是动态连续的，但需要将凝胶后的湿纤维收集后采用超临界干燥和冷冻干燥方式进行干燥，这些干燥过程并不连续，同时存在着危险性大、干燥时间长和能耗高等一系列缺点，所以时至今日生物质基气凝胶仍难以实现大规模工业化生产。

4、现有技术cn202210809209.7公开了一种纳米纤维素气凝胶及其制备方法，该气凝胶的干燥过程属于常压干燥，但原料选用的是纳米纤维素纤维，且纤维凝胶过程通过金属离子的静态凝胶，无法用于纤维素的连续化纺丝，故该工艺路线仍无法用于制备纤维素气凝胶纤维。

5、现有技术cn202310478630.9公开了一种甘蔗渣纤维素气凝胶及其制备方法，该纤维素的凝胶过程是采用戊二醛进行化学静态交联45～48h完成，凝胶后再进行常压干燥获得气凝胶。戊二醛具有一定毒性，对人体危害大，同时该静态交联过程过长，仍难以满足实际气凝胶纤维生产需要。

6、因此，有必要提供一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明克服了现有技术的不足，提供一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，包括以下步骤：

3、s1、将清洗、粉碎后的纤维素原料在纤维素溶剂中分散溶解，然后经过消泡和过滤后，得到纤维素纺丝液，该纺丝液中纤维素质量分数为4％～9％；

4、s2、将纤维素纺丝液通过喷丝头挤入混凝浴中获得一维形式的纤维素湿凝胶纤维，挤出速度为6～50ml/min；

5、s3、将纤维素湿凝胶纤维通过含有石蜡烷烃的叔丁醇混合溶液的置换槽，把湿凝胶纤维内部的水分交换为含有烷烃的混合溶液；

6、s4、将纤维素湿凝胶纤维通过低温冷冻区，纤维冷冻后立刻通入高温干燥区进行溶剂去除，得到纤维素气凝胶纤维。

7、本发明一个较佳实施例中，在所述s1中，纤维素原料为竹浆粕、棉浆粕、细菌纤维素或再生粘胶中的至少一种。

8、本发明一个较佳实施例中，在所述s1中，纤维素溶剂为含有离子液体、n-甲基吗啡啉-n-氧化物(nmmo)、氢氧化钠/尿素、氯化锂/二甲基乙酰胺其中一种或多种的溶液。

9、本发明一个较佳实施例中，在所述s2中，混凝浴为含有质量分数为5～15wt％柠檬酸、2.5～5wt％柠檬酸三钠、10～40wt％叔丁醇的水溶液，混凝浴温度为20℃～25℃，混凝浴槽长度为1～2m。

10、本发明一个较佳实施例中，在所述s2中，喷丝头孔大小为0.1～1.6mm，孔数量为10～30个。

11、本发明一个较佳实施例中，在所述s3中，含有石蜡烷烃的叔丁醇混合溶液中烷烃为碳原子数为16～22的直链饱和烷烃中的至少一种，体积分数为1：10～20，置换槽长度为1.5～3m，槽数量为1～5个。

12、本发明一个较佳实施例中，在所述s4中，冷冻区温度为-10～-35℃，冷冻区长度为0.5～2m，纤维素湿凝胶纤维在传输速度为1m/min。

13、本发明一个较佳实施例中，在所述s4中，高温干燥区温度为85～150℃，干燥区长度为0.5～2m，纤维素湿凝胶纤维在传输速度为1m/min。

14、本发明一个较佳实施例中，收集经过高温汽化的叔丁醇溶液，进行冷凝，然后通入置换槽中使溶剂回收利用。

15、基于上述所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法制备得到的纤维素气凝胶纤维，所述纤维素气凝胶纤维截面直径为100～800um，所述纤维素气凝胶纤维的密度为0.1～0.3g/cm3，比表面积为250～350m2/g。

16、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

17、(1)本发明提供了一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，通过对连续湿法纺丝制得的湿凝胶纤维改性后，再采用快速冷冻后常压干燥的方法获得气凝胶纤维。常压干燥速度快，能耗相对较低，相对于现有技术，本发明可满足纤维素纤维全流程的连续化生产，具有可扩展性，提高气凝胶纤维产量，可满足商业化大规模应用需要。

18、(2)本发明通过对连续湿法纺丝制得的湿凝胶纤维改性后，再采用常压干燥的方法获得气凝胶纤维，本发明制备得到的纤维素气凝胶纤维密度控制在0.1～0.3g/cm3，比表面积为250～350m2/g，以及相似的微观形貌，具有卓越隔热性，在个人热管理和医疗保健管理领域具有潜在应用价值。

19、(3)本发明通过回收经过高温汽化的叔丁醇溶液，进行冷凝，然后通入置换槽中，避免了干燥过程中产生的叔丁醇气体直接排放入大气中，在高温干燥室顶部接设叔丁醇回收分离装置，将叔丁醇蒸汽回收后通入置换槽实现溶液的循环利用，解决了叔丁醇产品浪费以及对环境和健康带来安全隐患。

技术特征：

1.一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s1中，纤维素原料为竹浆粕、棉浆粕、细菌纤维素或再生粘胶中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s1中，纤维素溶剂为含有离子液体、n-甲基吗啡啉-n-氧化物(nmmo)、氢氧化钠/尿素、氯化锂/二甲基乙酰胺其中一种或多种的溶液。

4.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s2中，混凝浴为含有质量分数为5～15wt％柠檬酸、2.5～5wt％柠檬酸三钠、10～40wt％叔丁醇的水溶液，混凝浴温度为20℃～25℃，混凝浴槽长度为1～2m。

5.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s2中，喷丝头孔大小为0.1～1.6mm，孔数量为10～30个。

6.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s3中，含有石蜡烷烃的叔丁醇混合溶液中烷烃为碳原子数为16～22的直链饱和烷烃中的至少一种，体积分数为1：10～20，置换槽长度为1.5～3m，槽数量为1～5个。

7.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：冷冻区温度为-10～-35℃，冷冻区长度为0.5～2m，纤维素湿凝胶纤维在传输速度为1m/min。

8.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：在所述s4中，高温干燥区温度为85～150℃，干燥区长度为0.5～2m，纤维素湿凝胶纤维在传输速度为1m/min。

9.根据权利要求1所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，其特征在于：收集经过高温汽化的叔丁醇溶液，进行冷凝，然后通入置换槽中使溶剂回收利用。

10.基于权利要求1-9所述的一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法制备得到的纤维素气凝胶纤维，其特征在于：所述纤维素气凝胶纤维截面直径为100～800um，所述纤维素气凝胶纤维的密度为0.1～0.3g/cm3，比表面积为250～350m2/g。

技术总结
本发明公开了一种常压干燥纤维素基气凝胶纤维的方法，包括以下步骤：将清洗、粉碎后的纤维素原料在纤维素溶剂中分散溶解，然后经过消泡和过滤后，得到纤维素纺丝液，该纺丝液中纤维素质量分数为4％～9％；将纤维素纺丝液通过喷丝头挤入混凝浴中获得一维形式的纤维素湿凝胶纤维，挤出速度为6～50ml/min；将纤维素湿凝胶纤维通过含有石蜡烷烃的叔丁醇混合溶液的置换槽，把湿凝胶纤维内部的水分交换为含有烷烃的混合溶液。本发明通过对连续湿法纺丝制得的湿凝胶纤维改性后，再采用快速冷冻后常压干燥的方法获得气凝胶纤维。常压干燥速度快，能耗相对较低，相对于现有技术，本发明可满足纤维素纤维全流程的连续化生产，具有可扩展性，提高气凝胶纤维产量。

技术研发人员：郭荣辉,姜珊
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15