天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶及其制备方法

本发明涉及气凝胶材料，尤其涉及一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业化和城市化的快速发展，空气污染已成为日益严峻的环境问题和全球性挑战之一。空气中的颗粒如粉尘、微塑料以及细菌、病毒、微生物等致病原，严重影响环境质量和危害人类的身心健康。近年来，基于各种方法所制备的微纳米纤维基滤材由于其形貌可控、孔隙率可调、比表面积大等特性在空气过滤领域展现出巨大的应用潜力，受到了持续的广泛关注。

2、微纳米纤维具有较高的比表面积和表面能，能利用微纳米纤维独特的尺寸效应对空气中微小颗粒进行俘获和表面沉积。与传统微米级纤维相比，同等气压损失下微纳米纤维对于颗粒过滤的直接拦截效应和惯性冲击效应更为显著，有利于提高其过滤效率和降低滤阻，延长使用寿命。此外，以微纳米纤维为原料制备的气凝胶具有低克重、高孔隙率、高渗透性和结构形貌可控的显著优势，在过滤领域具有重要的应用价值和发展前景。

3、蚕丝作为一种来源充足的天然蛋白质纤维，具有良好的机械性能、生物相容性和生物可降解性等特点，被广泛用于组织工程及高性能材料的开发和使用。在微观尺度上，天然蚕丝是由多层级的纳米原纤组成，解构剥离出的蚕丝微纳米纤维在纳米尺度上保留了丝素纤维原有的基本结构和功能，被广泛用作增强基体以及功能性吸附材料。同时蚕丝纳米纤维表面各种丰富的官能团(例如，-oh，-cooh，-nh2等)为多功能过滤材料的开发提供了潜在的可能。此外，蚕丝微纳米纤维的可降解性能使其有望作为可持续生态系统的有效过滤介质。

4、有报道通过添加其他不可降解组分的方法制备蚕丝纳米纤维复合气凝胶，例如聚乙烯醇(pva)等，但是该类气凝胶pm0.3的过滤效率只能达到50％左右，而且pva的添加影响环境(hu z,yan s,li x,et al.natural silk nanofibril aerogels with distinctivefiltration capacity and heat-retention performance[j].acs nano,2021,15(5):8171-8183.)。还有报道添加天然的高分子聚合物的方法制备蚕丝纳米纤维复合气凝胶，例如壳聚糖等，这类气凝胶具有开放的大孔结构，导致过滤效率低，壳聚糖的添加还会降低材料的比表面积，增大了滤阻(尤仁传,周顺顺,李秀芳,等.天然蚕丝微纳米纤维复合多孔材料及其应用:cn202111063018.2[p].cn202111063018.2[2023-11-11].)。

5、有鉴于此，有必要设计一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶及其制备方法，通过将溶胀后的蚕丝均匀分散在调节剂中后，再进行冷冻干燥，制备具有微孔结构的高效低阻天然蚕丝微纳米纤维气凝胶，以满足过滤领域的需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、先将蚕丝浸没在溶胀液中进行溶胀处理；再对经过溶胀处理后的蚕丝依次进行干燥、洗涤；接着按预定浴比将处理后的蚕丝置于水中进行破碎处理，即获得蚕丝微纳米纤维悬液；

4、s2、再将所述蚕丝微纳米纤维悬液进行冷冻干燥处理，制得蚕丝微纳米纤维原料；

5、s3、按预定配比将有机溶剂与去离子水混匀，制得调节剂；

6、s4、按预定比例将所述蚕丝微纳米纤维原料置于所述调节剂中，随后在预定的环境下进行冷冻干燥，再将其置于通风处待所述调节剂挥发，即得到天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶。

7、进一步地，步骤s1中，所述蚕丝微纳米纤维悬液中的蚕丝纳米纤维的直径为30nm～3μm。

8、进一步地，步骤s2中，进行所述冷冻干燥处理过程为在-40℃以下冷冻5～10h后再干燥48～72h。

9、进一步地，步骤s3中，所述有机溶剂为与水互溶并可挥发的试剂；所述有机溶剂包括醇类、醚类、酮类中的一种或多种；所述醇类包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、叔丁醇；所述预定配比为所述有机溶剂的体积占所述调节剂的5～60％。

10、进一步地，步骤s4中，所述预定比例为：所述蚕丝微纳米纤维原料：所述调节剂＝1～10g:1l；

11、进行所述冷冻干燥的条件为：先在-120～-20℃下冷冻5～18h，然后在-40℃以下冷冻干燥48～96h。

12、进一步地，步骤s1中，所述溶胀液包括由硝酸钙、乙醇和水组成的混合溶液；所述乙醇与水的体积比为1:2～5；所述硝酸钙与所述乙醇和所述水的总体积的比为2g～10g:100ml；进行所述溶胀处理的过程为在40～70℃下溶胀8～72h。

13、进一步地，步骤s1中，所述预定浴比为所述处理后的蚕丝：水＝1g:100～200ml。

14、进一步地，步骤s1中，进行所述破碎处理的过程为以5000～50000r/min的转速处理20～120min。

15、进一步地，步骤s1中，所述蚕丝包括家蚕丝、野蚕丝中的一种或多种。

16、本发明还提供了一种用所述天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法制备的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶；所述天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的上、中、下微孔结构的孔尺寸为0.1～10μm，所述微孔结构相互贯通。

17、本发明的有益效果是：

18、1、本发明提供的一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法通过将溶胀后的蚕丝均匀分散在调节剂中后，再进行冷冻干燥制备得到天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶，可以有效降低天然蚕丝纳米纤维悬液的表面张力，降低冻结过程中冰晶的生长速率和成核尺寸、避免内部压力不匀而产生的冰层破裂，有助于保持冷冻干燥过程中气凝胶的纳米纤维三维结构的稳定性，同时改善气凝胶的内部孔结构，降低孔径、提高孔隙率。

19、2、本发明提供的一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶通过将有机溶剂作为调节剂可实现对气凝胶内部结构和性能的可控调节，此外由于醇类物质等调节剂价格低廉，使得气凝胶材料的生产成本较低；本实验使用醇类物质等调节剂作为表面活性物质，对人体无毒无害，且因其具有挥发性，适合生产过程中的回收利用，满足绿色、环保可循环生产要求。

20、3、本发明提供的一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶制备的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶结构完整性好、成形性好、孔径致密均匀、孔隙率高、比表面积大、在空气过滤应用方面具有过滤效率高、过滤阻力低、容尘量高的优点，且在无需添加其它有害组分的前提下，还能保持良好的力学性能，在环境中完全可降解，可作为一种绿色环保型空气过滤材料用于空气、有害气体和烟雾过滤等领域。

技术特征：

1.一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述蚕丝微纳米纤维悬液中的蚕丝纳米纤维的直径为30nm～3μm。

3.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s2中，进行所述冷冻干燥处理过程为在-40℃以下冷冻5～10h后再干燥48～72h。

4.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述有机溶剂为与水互溶并可挥发的试剂；所述有机溶剂包括醇类、醚类、酮类中的一种或多种；所述醇类包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、叔丁醇；所述预定配比为所述有机溶剂的体积占所述调节剂的5～60％。

5.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s4中，所述预定比例为：所述蚕丝微纳米纤维原料：所述调节剂＝1～10g:1l；

6.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述溶胀液包括由硝酸钙、乙醇和水组成的混合溶液；所述乙醇与水的体积比为1:2～5；所述硝酸钙与所述乙醇和所述水的总体积的比为2g～10g:100ml；进行所述溶胀处理的过程为在40～70℃下溶胀8～72h。

7.根据权利要求1所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述预定浴比为所述处理后的蚕丝：水＝1g:100～200ml。

8.根据权利要求2所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中，进行所述破碎处理的过程为以5000～50000r/min的转速处理20～120min。

9.根据权利要求2所述的天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述蚕丝包括家蚕丝、野蚕丝中的一种或多种。

10.一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶，其特征在于：所述天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶根据权利要求1～9中任一权利要求所述的制备方法制备；所述天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶的上、中、下微孔结构的孔尺寸为0.1～10μm，所述微孔结构相互贯通。

技术总结
本发明提供了一种天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶及其制备方法。该方法通过将溶胀打碎后的蚕丝纳米纤维均匀分散在调节剂中后，再进行冷冻干燥制备得到天然蚕丝微纳米纤维高效低阻微孔气凝胶，可有效降低天然蚕丝纳米纤维悬液的表面张力，降低冻结过程中冰晶的生长速率和成核尺寸、避免内部压力不匀而产生的冰层破裂，有助于保持冷冻干燥过程中气凝胶的纳米纤维三维结构的稳定性，同时改善气凝胶的内部孔结构，降低孔径、提高孔隙率；可作为一种绿色环保型空气过滤材料用于空气、有害气体和烟雾过滤等领域。

技术研发人员：尤仁传,戴云峰,冯艳飞,李秀芳
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24