CN110917825A - 一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于吸湿材料技术领域，尤其涉及一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用；该复合气凝胶吸湿材料包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料。实施例结果表明，本发明提供的复合气凝胶吸湿材料在低湿条件下，仍能达到良好的吸湿效果，并且在室温条件下通过太阳光照即可实现再生。

Description

一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于吸湿材料技术领域，尤其涉及一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用。

背景技术

吸湿材料不仅可以去除环境中多余的水分降低环境湿度，而且还可以吸收干燥环境中的痕量水从而使水分固定下来，在沙漠、戈壁等取水领域有着重要的应用，因此引起了各国科学家的广泛关注。吸湿材料主要是利用固体干燥剂表面的蒸气压与大气环境的蒸气压之间的差值作为吸湿动力，再利用外界的能源(太阳能、地热能、各类废热余热)将吸附材料中的水解吸再生。因此一个性能优良的吸湿材料不仅要具有高的吸水率，快速的吸附速率，还应该具有较低的再生能耗。

目前研究较多的是将多孔性材料与吸湿剂复合，改善其吸湿能力和液解现象及再生性。例如中国专利200810072157.X公开将大麻杆芯粉与吸湿剂结合制备干燥剂，该材料具有很好的干燥和除湿作用，但是以此制得的干燥剂吸附量有限，吸水率低；再如中国专利20171027846.7公开将淀粉与烧碱组合可以制备生物干燥剂，但是该材料在吸湿过程中结构容易坍塌，不仅难以有效发挥吸湿性能，并且再生性差；还如，虽然现有技术还存在纳米纤维素和吸湿剂复合材料，但是再生成本高，需要在高温下进行烘干等特定条件下才可实现循环利用，并且回收率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合气凝胶吸湿材料及其制备方法，本发明提供的复合气凝胶吸湿材料能够对环境高效吸水，尤其在环境湿度低的情况下仍然具有非常高的吸水率；并且结构稳定，在室温阳光照射下即可实现复合材料的连续再生和循环利用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角

优选的，所述吸收剂为含碱金属和/或碱土金属的物质；

所述生物质纳米纤维素的直径为3～100nm，长径比＞500；

所述吸热碳材料为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。

优选的，所述复合气凝胶吸湿材料中生物质纳米纤维素相互缠绕形成三维网络结构；所述吸收剂分散在生物质纤维素形成的三维网络结构中；所述改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面或者所述改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

优选的，所述生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料的质量比为1:0.1～5:0.1～5。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合气凝胶吸湿材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将吸热碳材料进行表面亲水改性；将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液；

(2)将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液；

(3)将所述吸热碳材料分散液加入到所述吸收剂-纳米纤维素混合液中，进行复合，得到复合凝胶；

(4)将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。

优选的，所述步骤(3)中复合的方式为静置分层或者搅拌混合；

当采用静置分层的复合方式时，所述步骤(3)得到分层复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；

当采用搅拌混合的复合方式时，所述步骤(3)得到混合型复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

优选的，所述步骤(1)中表面亲水改性的方式为：采用稀硝酸或亲水高分子表面活性剂对吸热碳材料进行超声处理或者采用臭氧对吸热碳材料进行室温氧化。

优选的，采用稀硝酸对吸热碳材料进行改性的方式具体为：将吸热碳材料置于1～10wt％的稀硝酸中进行30～120min的超声处理后水洗至中性；

采用亲水高分子表面活性剂进行改性具体为：将吸热碳材料加入到1～5wt％的亲水高分子表面活性剂中超声分散30～120min后过滤；所述亲水高分子表面活性剂为聚苯乙烯磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚；所述亲水高分子表面活性剂溶液和吸热碳材料的体积比为5～10：1。

优选的，所述步骤(1)中表面亲水改性的方式为：将吸热碳材料浸没于水中，在O₃条件下室温氧化30～120min；所述水碳体积比为5～10：1。

本发明还提供了上述技术方案所述复合气凝胶吸湿材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的复合气凝胶吸湿材料在除湿或干旱环境取水中的应用。

本发明提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性吸热碳材料；所述亲水改性吸热碳材料在水中的浸润角

本发明提供的复合气凝胶吸湿材料生物质纳米纤维素与含碱金属或碱土金属的物质复合提高强度，使其稳定发挥锁水和保水性能；同时吸热碳材料为亲水改性的，使得吸热碳材料与生物质纳米纤维素之间界面结合更为良好，更为有利于二者的协同作用，进而高效地利用太阳光实现吸湿剂的低能耗再生，进而降低复合气凝胶吸湿材料的再生能耗，在室温下即可通过光照实现连续再生和循环利用。实施例的结果表明，本发明所述复合气凝胶材料在湿度为28％条件下，仍能达到良好的吸收效果；在室温条件下，即可实现再生循环利用。

附图说明

图1为本发明复合气凝胶的结构示意图；

图2为实施例1中步骤1得到的复合气凝胶中生物质纳米纤维素的透射电镜照片；

图3为实施例1中步骤1得到的复合气凝胶中生物质纳米纤维素的扫描电镜照片；

图4为实施例1所制备的纳米纤维素/吸湿剂/吸热碳材料复合气凝胶吸湿材料的照片；

图5为实施例1所制备的纳米纤维素/吸湿剂/吸热碳材料复合气凝胶吸湿材料的扫描电镜照片；

图6为对比例1中纳米纤维素/氯化锂复合气凝胶吸湿材料的照片。

具体实施方式

本发明提供了一种复合气凝胶吸湿材料，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角

在本发明中，所述复合气凝胶吸湿材料包括亲水改性的吸热碳材料；所述吸热碳材料优选为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。在本发明中，所述吸热碳材料经过亲水改性得到改性吸热碳材料，以此得到的所述改性吸热碳材料在水中的浸润角<30°，优选≤25°，进一步优选≤19°，更优选≤15°。在本发明中，所述复合气凝胶吸湿材料中亲水改性的吸热碳材料，覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；或者所述亲水改性的吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中；如图1本发明复合气凝胶的结构示意图所示。本发明所采用的吸热碳材料具有高度石墨化的结构不仅在较宽波长范围内具有高吸收率，而且具有非常好的热传导性能，可以高效地利用太阳光实现吸湿剂的低能耗再生，进而降低复合气凝胶吸湿材料的再生能耗。

本发明通过对石墨烯、碳纳米管、碳纤维表面进行亲水改性，使其与水以及生物质纳米纤维素具有很好的界面结合，从而使得吸热碳材料与纳米纤维素的协同作用，进而复合气凝胶吸湿材料在保证材料吸湿性的基础上在室温普通阳光照射下就可以实现材料的连续再生和循环使用。

在本发明中，所述复合气凝胶吸湿材料包括吸收剂。在本发明中，所述吸收剂优选为含碱金属和/或碱土金属的物质；所述含碱金属和/或碱土金属的物质优选为碱金属或碱土金属的氢氧化物、溴化盐、氯化盐、碳酸氢盐、硫酸盐和硝酸盐中的一种或多种。在本发明的具体实施例中，可具体为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化钙、氢氧化钾等。在本发明中，所述吸收剂优选分散在生物质纤维素形成的三维网络结构中；有效避免常规含碱金属或碱土金属的物质吸湿后的液解现象，降低对设备的腐蚀。

在本发明中，所述复合气凝胶吸湿材料包括生物质纳米纤维素。优选的，所述复合气凝胶吸湿材料中生物质纳米纤维素相互缠绕形成三维网络结构。本发明采用的纳米尺度、高长径比的纳米纤维素内部具有大量的羟基，且纤维素丝相互缠绕使其具有高强度的三维网络结构，从而赋予复合气凝胶吸湿材料良好的锁水及保水性能；并且与含碱金属或碱土金属的物质复合形成高强度的吸湿材料。在本发明中，所述生物质纳米纤维素的直径优选为3～100nm，进一步优选为5～80nm，更优选为5～50nm。在本发明中，所述生物质纳米纤维素的长径比优选为>500，进一步优选为1000～100000。在本发明中，所述生物质纳米纤维素优选为木质纤维素、竹材纤维素、植物秸秆纤维素或麻纤维。

本发明对所述生物质纳米纤维素的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的方式制备得到；关于生物质纳米纤维素的制备方式，在后续复合气凝胶吸湿材料的制备方法部分介绍，在此不再赘述。

在本发明中，所述生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料的质量比优选为1:0.1～5:0.1～5，进一步优选为1:0.1～3:0.1～3，更优选为1:0.1～1:0.1～1。

本发明充分利用生物质纳米纤维素高强度的三维网络结构，以此提高气凝胶锁水及保水性能；同时利用无机金属盐类吸湿剂吸水性极强，可吸收大量的水分，最多可达其自身重量的10倍的优势，将二者结合可以充分发挥无机盐吸水量大，纳米纤维素锁水功能强的特点，实现对环境的高效吸水，尤其在环境湿度低的情况下仍然具有非常高的吸水率。同时在材料表面或内部引入经亲水改性的吸光导热的碳材料，可以充分利用太阳光实现吸湿材料的低能耗再生。因此该材料将在除湿、干旱地区取水等领域有着广泛的应用。

本发明提供了上述方案提供的复合气凝胶吸湿材料的制备方法，(该制备方法并非前述复合气凝胶吸湿材料唯一的制备方法，其余的能保证获得同样结构的复合气凝胶吸湿材料也可以)包括以下步骤：

(1)将吸热碳材料进行表面亲水改性；将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液；

(2)将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液；

(3)将所述吸热碳材料分散液加入到所述吸收剂-纳米纤维素混合液中，进行复合，得到复合凝胶；

(4)将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。

本发明将吸热碳材料进行表面亲水改性，得到改性吸热碳材料。在本发明中，所述表面亲水改性的方式可以是采用稀硝酸对吸热碳材料进行超声处理，也可以是采用亲水高分子表面活性剂对吸热碳材料进行超声处理，还可以是采用臭氧对吸热碳材料进行室温氧化。

本发明采用稀硝酸对吸热碳材料进行改性的方式优选为：将吸热碳材料置于1～10wt％的稀硝酸中进行30～120min的超声处理后水洗至中性。在本发明中，所述稀硝酸的体积以没过碳材料为宜。

本发明采用亲水高分子表面活性剂进行改性的方式优选为：将吸热碳材料加入到1～5wt％的亲水高分子表面活性剂水溶液中超声分散30～120min后过滤。在本发明中，所述亲水高分子表面活性剂优选为但不限于聚苯乙烯磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚；所述亲水高分子表面活性剂溶液和吸热碳材料的体积比优选为5～10：1。

本发明采用臭氧对吸热碳材料进行改性的方式优选为：将吸热碳材料浸没于水中，在O₃条件下室温氧化30～120min；所述水碳体积比为5～10：1。

本发明将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液，实现对吸热碳材料的亲水改性。本发明对超声分散的具体实施方式和吸热碳材料分散液的浓度没有特殊要求；在本发明的具体实施例中，所述超声分散的时间为60min；在本发明中，用于超声分散的水碳体积比优选为5～10：1。

本发明将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液。本发明对所述生物质纳米纤维素悬浮液的制备没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可；在本发明中，所述生物质纳米纤维素悬浮液的制备包括：将生物质纳米纤维素和水混合，超声分散30min；所述超声分散的功率优选为600W。在本发明的实施例中，所述生物质纳米纤维素悬浮液的质量浓度优选为1％。在本发明中，所述吸收剂和悬浮液中生物质纳米纤维素的质量比优选为1:0.1～5，进一步优选为1:0.1～3。

得到吸热碳材料分散液和吸收剂-纳米纤维素混合液后，本发明将所述吸热碳材料分散液加入到吸收剂-生物质纳米纤维素悬浮液中，进行复合，得到静置混合液。

本发明采用将吸热碳材料分散液加入到生物质纳米纤维素悬浮液中的形式，能够提高分散均匀性，进而更便于悬浮液中生物质纳米纤维素与吸热碳材料的接触，使得吸热碳材料分散于生物质纳米纤维素的三维网络结构中或者表面。本发明优选采用滴加的方式将吸热碳材料分散液加入到生物质纳米纤维素悬浮液中。本发明用于添加的料液中，所述吸热碳材料分散液中吸热碳材料和生物质纤维素悬浮液中生物质纤维素的质量比优选为0.1～5:1。在本发明中，所述复合的方式优选为静置分层或者搅拌混合；

当采用静置分层的复合方式时，所述复合后得到分层复合凝胶，最终得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；

当采用搅拌混合的复合方式时，所述复合后得到混合型复合凝胶，最终得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

本发明对所述生物质纳米纤维素悬浮液的制备方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的即可。

在本发明中，所述生物质纳米纤维素悬浮液的制备可以按照以下方式进行：

(1)采用亚氯酸钠-盐酸混合溶液对生物质原料进行水浴加热，脱除生物质原料中的木质素，得到生物质初级纤维；步骤(1)中木质素脱除至少重复1次；

(2)采用碱性溶液对所述生物质初级纤维进行水浴加热，脱除生物质原料中的半纤维素，得到生物质纤维素；步骤(2)中半纤维素脱除分别至少重复1次；

(3)将所述步骤(2)得到的生物质纤维素配置成生物质纤维素溶液后进行开纤化处理，得到生物质纳米纤维素悬浮液。

在本发明中，所述步骤(1)优选方案如下：在本发明中，所述生物质原料优选为木材、竹材、麦秸秆或纤维素等的粉末。在本发明中，所述亚氯酸钠-盐酸混合溶液优选由质量浓度为2％的亚氯酸钠溶液和质量浓度为1％的盐酸溶液，按照1:1的体积比混合得到。在本发明中，所述水浴加热的温度优选为70～100℃，更优选为90℃，时间优选为90min。本发明采用亚氯酸钠-盐酸混合溶液对生物质原料进行特定条件的水浴加热，能够有效脱除生物质原料中的木质素。本发明优选对水浴加热后的料液进行抽滤，得到固料；本发明对所述固料的抽滤方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的抽滤方式即可。本发明优选重复依次进行亚氯酸钠-盐酸混合溶液对生物质原料的水浴加热和抽滤；重复次数优选为3～10次，实现木质素的充分脱除。

在本发明中，所述步骤(2)优选方案如下：本发明优选采用碱性溶液对所述生物质初级纤维进行水浴加热，脱除生物质原料中的半纤维素，得到生物质次级纤维。在本发明中，所述碱性溶液优选为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液；所述碱性溶液的质量浓度优选为5％；所述水浴加热的温度优选为70～100℃，更优选为70℃；时间优选为2h。本发明采用碱性溶液对生物质初级纤维进行特定条件的水浴加热，能够有效脱除生物质原料中的半纤维素。本发明优选对水浴加热后的料液进行抽滤，得到固料；本发明对所述固料的抽滤方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的抽滤方式即可。本发明优选重复依次进行碱性溶液对生物质原料的水浴加热和抽滤；重复次数优选为3～10次，实现半纤维素的充分脱除。

本发明优选至少依次重复步骤(1)和步骤(2)1次，得到纯化的生物质纳米纤维素；进一步优选重复2～3次；在本发明的具体实施例中，具体为步骤(1)的木质素脱除-步骤(2)的半纤维素脱除-步骤(1)的木质素脱除-步骤(1)的木质素脱除-...。当依次重复进行步骤(1)和步骤(2)时，每个步骤中优选重复进行脱除和抽滤的次数可以相同也可以不同。

得到复合凝胶后，本发明将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料。在本发明中，干燥的温度优选为85～130℃，进一步优选为90～120℃；干燥的时间优选为5～8h。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合气凝胶吸湿材料或者上述制备方法得到的复合气凝胶吸湿材料在除湿或干旱环境取水中的应用。本发明所述复合气凝胶吸湿材料可在湿度为25～95％条件下进行吸湿。

下面结合实施例对本发明提供的复合气凝胶吸湿材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)生物质纳米纤维素的制备：将机械精磨过的生物质原料麦秸秆5g加入500mL浓度分别为2wt％和1wt％的亚氯酸钠盐酸混合溶液，在90℃条件下水浴加热1.5h，抽滤分离后，重复该步骤8次脱除木质素；然后将上述处理后的材料加入500mL浓度为5wt％的KOH溶液中，在100℃条件下水浴加热2h，脱除半纤维素，然后水洗抽滤；再将水洗、抽滤分离后的材料加入500mL浓度分别为2wt％和1wt％的亚氯酸钠、盐酸混合溶液，在90℃条件下水浴加热1.5h，抽滤分离后重复该步骤3次再次脱除木质素；将水洗、抽滤分离后的材料加入到500mL浓度为5wt％的KOH溶液中，在100℃条件下水浴加热2h，再次脱除半纤维素，抽滤分离并水洗到中性即得到生物质纯化纤维素，即生物质纳米纤维素；其中纳米纤维素的直径约为5nm，长度大于200um。

(2)生物质纳米纤维素悬浮液的制备：将步骤(1)得到的纯化纤维素放入蒸馏水中搅拌摇匀，配制浓度为1wt％纤维素水溶液，然后将纤维素水溶液在600W超声波细胞粉碎机进行超声开纤化处理30min，即得到生物质纳米纤维素悬浮液。

(3)金属盐溶液的制备：将氯化锂与蒸馏水混合搅拌配置5wt％的水溶液。

(4)石墨烯的亲水改性：将1g石墨烯加入到250mL 5％wt的稀硝酸溶液中，超声处理60min后水洗到中性，所制备的石墨烯在水中的浸润角为19°。

(5)石墨烯分散液的制备：将上述经过亲水改性的石墨烯放置于一定量的蒸馏水中混合进行超声处理60min，配置2wt％石墨烯分散液。

(6)复合凝胶的制备：将100mL的上述(2)制备的纳米纤维素悬浮液放置在250mL的烧杯中，加入10mL已配置的氯化锂溶液混合均匀；接着将2wt％的石墨烯分散液滴加在含有纳米纤维素悬浮液的表面，室温下放置12h，令纳米纤维素与氯化锂与石墨烯的质量比为1：0.5：0.5。

(7)干燥：将复合凝胶在100℃常压干燥6小时即得纳米纤维素/氯化锂/石墨烯复合气凝胶。

对本实施例得到的复合气凝胶中生物质纳米纤维素进行透射电镜检测和扫描电镜检测，结果分别如图2和图3所示。由图2和图3可知，该方法所制备得到的复合凝胶中直径在5nm左右，长度为微米级的纳米纤维素以单根或者几根一束的形式相互交联形成三维网络结构。

本实施例所制备的纳米纤维素/吸湿剂/吸热碳材料复合气凝胶吸湿材料的照片如图4所示，可见，吸热碳材料与纳米纤维素/吸收剂形成良好的分层结构。

对本实施例得到的复合气凝胶吸湿材料进行扫描电镜检测，结果分别如图5所示。由图5可知，干燥后的石墨烯紧密地覆盖在纳米纤维素基体上，同时看不到大的吸收剂颗粒，说明吸收剂与纳米纤维素混合非常均匀且具有良好的界面结合，从而更有益与发挥三者的协同作用。

实施例2：

按照实施例1所述的方式制备复合气凝胶，区别在于：将氯化锂换成质量比为1：1的氯化钾和溴化钾，用碳纳米管代替石墨烯，同时采用臭氧氧化的方法对碳纳米管进行表面改性，即将碳材料浸没于水中(水碳体积比为5：1)，然后通入O₃室温氧化30min(改性后碳材料在水中的浸润角为

)；令纳米纤维素与氯化钾和溴化锂与碳纳米管的质量比为1：2：2，得到纳米纤维素/氯化钾-溴化钾/碳纳米管复合气凝胶。

实施例3：

按照实施例1所述的方式制备复合气凝胶，区别在于：将氯化锂换成氢氧化钠，用短切碳纤维代替石墨烯，同时采用2wt％的聚苯乙烯磺酸钠对短切碳纤维进行亲水改性，改性时水碳体积比为5：1，超声分散40min后过滤(改性后碳材料在水中的浸润角为

)；令纳米纤维素与氢氧化钠与碳纤维的质量比为1：0.1：0.1，得到纳米纤维素/氢氧化钠/碳纤维复合气凝胶。

对实施例2和3得到的复合气凝胶进行透射和扫描电镜分析，结果与图4和图5类似，均显示了碳材料覆盖在和三维交联的纳米纤维素表面，且吸收剂与纳米纤维素混合均匀，界面结合好，烘干后看不到吸收剂的大颗粒。

实施例4～6

按照实施例1的方式制备复合气凝胶，具体的条件参数如表1所述。

表1实施例4～6复合气凝胶吸湿材料的制备工艺参数

对实施例4～6得到的复合气凝胶进行透射和扫描电镜分析，实施例4得到的复合气凝胶中碳材料覆盖在三维交联的纳米纤维素表面，吸收剂与纳米纤维素混合均匀，界面结合好，看不到吸收剂的大颗粒；实施例5和实施例6得到的复合气凝胶的碳材料均匀分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

对比例1

按照实施例1所述的方式进行，但是在步骤(5)过程中不加入石墨烯；其余过程同实施例1，得到纳米纤维素/氯化锂气凝胶。

对比例1得到的纳米纤维素/氯化锂复合气凝胶吸湿材料的照片如图6所示，与图4对比，可知，对比例得到的凝胶中纳米纤维素的表面并没有覆盖可以吸收热量的吸热碳材料。

对比例2

按照实施例1所述的方式将步骤(1)制备的纳米纤维素直接按照步骤(7)的条件干燥，即得到纳米纤维素气凝胶。

对比例3

按照实施例1的方式制备复合气凝胶，区别在于不进行步骤(4)的亲水改性，直接将石墨烯(在水中的浸润角为12°)的水分散液加入到实施例1步骤(6)中纳米纤维素悬浮液中。

对实施例1～6和对比例1～3得到的气凝胶的吸湿性能进行测试：

分别将0.5g上述的吸湿材料放在湿度分别为28％和95％，体积为9525cm³密封的玻璃干燥器内，测试其吸水率，不同间隔时间取出称重，当重量不再随着时间发生变化时即为饱和吸附率；为了对比，同质量的硅胶以及分子筛也测试了其吸水能力。测试结果分别列于表2，由表2可知，本发明得到的复合气凝胶吸水率得到名下提高。

表2实施例1～6和对比例1～3复合气凝胶吸湿材料的吸湿性能

再生性能测试

对吸湿测试后的材料的再生性能进行测试，将达到吸水饱和的吸水材料放置在含有出水口的密闭玻璃干燥器内，然后将干燥器室温下放置在太阳光下照射，通过水蒸气在玻璃器壁上的自然冷凝回收液态水的同时使吸湿材料解析水得到再生，同时计算不同时间回收的解析效率(回收液态水的质量与吸附水的质量比值)，表3分别给出了实施例1和对比实施例1，对比例3光照30min和60min的解析效率；可见本发明得到的复合气凝胶再生性能好，在短时间内即可实现解析再生；并且在室温下即可实现再生，再生性能良好。

表3实施例1和对比例1、3室温下不同光照时间的解析效率

将再生得到的吸湿材料的重新进行吸湿性能进行测试，进行吸湿和解析的循环测试，表4给出了实施例1循环利用10次的吸湿和解析效率数据。

表4实施例1循环使用10次的饱和吸水率和解析效率

循环使用次数	饱和吸水率(g<sub>水</sub>/g<sub>吸附剂</sub>)	再生后水的解析效率(％)
			1	3.54	98.5
2	3.48	97.8
			3	3.49	98.0
4	3.52	98.2
			5	3.46	98.5
6	3.43	97.3
			7	3.50	98.1
8	3.48	96.5
			9	3.52	97.4
10	3.46	95.8

由以上实施例可知，与其他吸湿材料相比，本发明提供的复合气凝胶吸湿材料不仅吸附量大、而且在低湿度的环境依然就有很高的吸水率，同时该材料再生能耗低，室温下通过太阳光照既可以通过吸收热量得到再生，并可回收吸附水，将在除湿、干旱地区取水等领域有着广泛的应用。

本发明工艺简单，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，包括生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料；所述亲水改性的吸热碳材料在水中的浸润角<30°。

2.根据权利要求1所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述吸收剂为含碱金属和/或碱土金属的物质；

所述生物质纳米纤维素的直径为3～100nm，长径比＞500；

所述吸热碳材料为石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述复合气凝胶吸湿材料中生物质纳米纤维素相互缠绕形成三维网络结构；所述吸收剂分散在生物质纤维素形成的三维网络结构中；所述改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面或者所述改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

4.根据权利要求1或2所述的复合气凝胶吸湿材料，其特征在于，所述生物质纳米纤维素、吸收剂和亲水改性的吸热碳材料的质量比为1:0.1～5:0.1～5。

5.权利要求1～4任一项所述的复合气凝胶吸湿材料的制备方法，包括以下步骤，但是不局限于该方法：

(1)将吸热碳材料进行表面亲水改性；将经过亲水改性的吸热碳材料和水混合进行超声分散，得到吸热碳材料分散液；

(2)将吸收剂与生物质纳米纤维素的悬浮液混合，得到吸收剂-纳米纤维素混合液；

(3)将所述吸热碳材料分散液加入到所述吸收剂-纳米纤维素混合液中，进行复合，得到复合凝胶；

(4)将所述复合凝胶在80～150℃条件下干燥4～10h，得到复合气凝胶吸湿材料；

所述步骤(1)和步骤(2)没有时间先后顺序。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中复合的方式为静置分层或者搅拌混合；

当采用静置分层的复合方式时，所述步骤(3)得到分层复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料覆盖在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构表面；

当采用搅拌混合的复合方式时，所述步骤(3)得到混合型复合凝胶，所述步骤(4)得到的复合气凝胶吸湿材料中改性吸热碳材料分散在生物质纳米纤维素形成的三维网络结构中。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中表面亲水改性的方式为：采用稀硝酸或亲水高分子表面活性剂对吸热碳材料进行超声处理或者采用臭氧对吸热碳材料进行室温氧化。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用稀硝酸对吸热碳材料进行改性的方式具体为：将吸热碳材料置于1～10wt％的稀硝酸中进行30～120min的超声处理后水洗至中性；

采用亲水高分子表面活性剂进行改性的方式具体为：将吸热碳材料加入到1～5wt％的亲水高分子表面活性剂中超声分散30～120min后过滤；所述亲水高分子表面活性剂为聚苯乙烯磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚；所述亲水高分子表面活性剂溶液和吸热碳材料的体积比为5～10：1。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用臭氧对吸热碳材料进行改性的方式具体为：将吸热碳材料浸没于水中，在O₃条件下室温氧化30～120min；所述水碳体积比为5～10：1。

10.权利要求1～4任一项所述复合气凝胶吸湿材料或权利要求5～9任一项所述制备方法制备得到的复合气凝胶吸湿材料在除湿或干旱环境取水中的应用。

Images