一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法与流程

本发明涉及气凝胶纤维制备，具体涉及一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法。

背景技术：

1、气凝胶具有独一无二的三维多孔结构、超低的密度、高孔隙率和高比表面积等优点，其微纳米多孔结构和高孔隙率，使得气凝胶的热传导、热对流和热辐射降低，从而具有超低的导热系数，成为具有优异的隔热性能的新一代材料，在保温领域具有广阔的前景。气凝胶纤维是指用气凝胶制作而成的纤维材料，是一种新型纺织纤维，由于其具备气凝胶材料的热传导率低的优点，将其用于制作纺织品能够使纺织品具有良好的保温性，同时还具有吸湿性、透气性等特点。但最常见的气凝胶形态为块状，其力学性能一般较差且脆性大，不容易直接制备成气凝胶纤维。如中国专利201711045519.1公开了一种纳米纤维素气凝胶的制备方法和纳米纤维素气凝胶，其利用tempo氧化的方法制备纳米纤维素悬浮液，并通过缓冲溶液控制氧化过程，经添加冻干保护剂，高压均质处理和冷冻干燥后处理后制成纳米纤维素气凝胶。该发明制备的纳米纤维素气凝胶具有强度高，比表面积大，密度低，孔隙率高及孔径分布均匀等优势，且纳米纤维素气凝胶以纤维素为原料，其原料来源广泛，廉价易得，具有可再生和生物可降解等优点，为环保的新型材料，但通过该方法制备的纤维素气凝胶形态为块状，不容易将其制备为纤维状。而虽然中国专利202311136369.0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。但该制备方法复杂，所用溶剂多，且对环境不友好。基于此，本发明提供了一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一纳米种纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法。

2、本发明采用的技术解决方案是：

3、本发明提供一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，包括步骤：

4、(1)将纳米纤维素悬浮液与聚合物混合，制备纺丝原液；

5、(2)取混合容器，将纤维长丝放置于混合容器中心，并通过注射泵将纺丝原液注入混合容器中，在混合容器内纺丝原液黏附在纤维长丝上，然后通过线辊将黏附有纺丝原液的纤维长丝从混合容器底部匀速拉出，并同时进行冷冻干燥，得到具有核-壳结构的纳米纤维素基气凝胶复合纤维。

6、进一步地，所述步骤(1)中纳米纤维素为tempo法纳米纤维素、酸法纳米纤维素、机械法纳米纤维素、细菌纤维素中的至少一种。

7、进一步地，所述步骤(1)中聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、(3-缩水甘油基氧基丙基)三甲氧基硅烷中的至少一种。

8、进一步地，所述步骤(1)中纳米纤维素悬浮液的浓度为0.1～5wt％，且纳米纤维素悬浮液为纳米纤维素分散在水中形成，聚合物的用量为纳米纤维素固含量的0～100％。

9、进一步地，所述步骤(2)中纤维长丝为涤纶、锦纶、蚕丝、芳纶、腈纶、维伦、丙纶或氨纶中的至少一种。

10、进一步地，所述步骤(2)中注射泵的注射速率为100～1000ul/min，优选为100～500ul/min。

11、进一步地，所述步骤(2)中线辊的转速为1～30r/min，优选为10～20r/min。

12、进一步地，所述步骤(2)中冷冻的温度为-196℃～-20℃，具体可通过液氮冷却。

13、本发明还提供一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维，所述纳米纤维素基气凝胶复合纤维为核-壳结构，所述核为纤维长丝，所述壳为具有三维多孔结构的气凝胶，且气凝胶的平均孔径为20～100μm，孔隙率为80～99％。

14、进一步地，所述纳米纤维素基气凝胶复合纤维的拉伸强度为3～150mpa，优选为20～150mpa，隔热系数为0.026-0.060w/(m·k)。

15、本发明的有益效果为：

16、(1)本发明所提供的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法，以纤维长丝为支撑模板，将纤维素悬浮液黏附在纤维长丝上，经冷冻后，纤维素气凝胶包覆在纤维长丝外，形成了具有核-壳结构的纤维素基气凝胶复合纤维，且纤维长丝起到了支撑作用，提高了气凝胶复合纤维的力学性能，尤其提高了气凝胶复合纤维的拉伸性能；

17、(2)本发明所提供的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法，在纤维悬浮液中加入海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺等聚合物，由于纤维素表面具有丰富的羟基、羧基或磺酸基等，加入聚合物后，能够对纤维素进行交联，提高了气凝胶三维多孔结构的稳定性，使核-壳结构的气凝胶复合纤维表面的气凝胶具有一定的韧性，不易碎，从而进一步提高了纤维素气凝胶的力学性能，并使复合纤维具有一定的可纺性；

18、(3)本发明所提供的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维及其制备方法，其原料来源广泛，廉价易得，具有可再生和生物可降解等优点，且制备方法简单，无需溶剂置换等，对环境友好，且所制备的复合纤维具有极低的隔热系数，隔热性能好。

技术特征：

1.一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米纤维素为tempo法纳米纤维素、酸法纳米纤维素、机械法纳米纤维素、细菌纤维素中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中聚合物为海藻酸钠、壳聚糖、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、(3-缩水甘油基氧基丙基)三甲氧基硅烷中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米纤维素悬浮液的浓度为0.1～5wt％，且纳米纤维素悬浮液为纳米纤维素分散在水中形成，聚合物的用量为纳米纤维素固含量的0～100％。

5.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中纤维长丝为涤纶、锦纶、蚕丝、芳纶、腈纶、维伦、丙纶或氨纶中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中注射泵的注射速率为100～1000ul/min。

7.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中线辊的转速为1～30r/min。

8.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中冷冻的温度为-196℃～-20℃。

9.一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维，利用权利要求1-8任一项所述的方法制备，其特征在于，所述纳米纤维素基气凝胶复合纤维为核-壳结构，所述核为纤维长丝，所述壳为具有三维多孔结构的气凝胶，且气凝胶的平均孔径为20～100μm，孔隙率为80～99％。

10.根据权利要求9所述的一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维，其特征在于，所述纳米纤维素基气凝胶复合纤维的拉伸强度为3～150mpa，隔热系数为0.026-0.060w/(m·k)。

技术总结本发明公开了一种纳米纤维素基气凝胶复合纤维的制备方法，包括步骤：(1)将纤维素悬浮液与聚合物混合，制备纺丝原液；(2)取混合容器，将纤维长丝放置于混合容器中心，并通过注射泵将纺丝原液注入混合容器中，在混合容器内纺丝原液黏附在纤维长丝上，然后通过线辊将黏附有纺丝原液的纤维长丝从混合容器底部匀速拉出，并同时进行冷冻干燥，得到具有核‑壳结构的气凝胶复合纤维。本发明以纤维长丝为支撑模板，将纤维素悬浮液黏附在纤维长丝上，经冷冻后，纤维素气凝胶包覆在纤维长丝外，形成了具有核‑壳结构的纤维素基气凝胶复合纤维，本发明所制备的气凝胶复合纤维具有良好的力学性能。技术研发人员：王晓军,刘春国,付刚,韩光亭,姜伟,孙传芳,李苏红,宋立召,赵松,王晓菲,焦海峰,王世星受保护的技术使用者：山东恒丰新型纱线及面料创新中心有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12