CN111073026B - 一种竹材纤维素气凝胶保温材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竹材纤维素气凝胶保温材料及其制备方法和应用，其制备方法包括，将竹加工废弃物经漂白处理脱除木质素制得综纤维素，将所述综纤维素配置成悬浮液后超声破碎，再依次经过预冷冻和真空冷冻干燥处理。本发明所提供的竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法包含一个化学处理步骤、一个超声处理步骤和一个冷冻处理步骤，能大大减少化学药剂的使用，绿色环保；其制备工艺简单，能耗低，制备时间短，原料来源广泛且价格低廉，成本低，实际应用前景广阔；所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料既有一定强度，又有良好的保温效果，能有效提高竹加工废弃物的利用率和产业附加值，拓展了竹加工废弃物再利用的途径，理论意义重大。

Description

一种竹材纤维素气凝胶保温材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于建筑保温材料技术领域，具体涉及一种竹材纤维素气凝胶保温材料及其制备方法和应用。
背景技术
保温材料是减少建筑能耗和温室气体排放的重要手段，随着全球变暖问题的日益严重，保温材料的应用显得愈发重要。传统保温材料包括聚苯乙烯、聚氨酯、软木、矿物棉、三聚氰胺等。
传统保温材料因成本低和制备工艺简单而被大量使用，但是传统保温材料的厚度较厚，大大增加了建筑结构的复杂性，且环境友好性差，废弃物容易造成环境污染，此外，其保温效果也往往不尽如人意。
针对上述问题，制备绿色、轻质和高效的保温材料至关重要。
现有技术中，大量涉及烟杆、秸秆、棉花秆、亚麻和竹木工业加工剩余物等40余种的农林废弃物及其加工剩余物通常通过燃烧和填埋等方式处理，不但造成能量转化率低下，同时也造成了环境污染；这些农林废弃物中包含大量的天然植物纤维，是制备纤维素基保温材料的可靠来源，因此，亟需研究开发一种利用农林废弃物制备保温材料的方法，以解决上述问题。
公开号为CN 108557802 A的中国发明专利申请公开了一种利用农业废弃物制备纤维素碳气凝胶的方法，该方法原料来源广泛，通过天然纤维素自组装特性构筑了三维空间结构，重新构筑了相互连接的不同尺寸的孔道；该气凝胶具有优良的稳定性，有助于摆脱当前生物质资源利用率低的困境。然而，该方法制备工艺复杂，耗时长，且需要漂白和强碱处理等工艺，化学试剂的排放对环境污染大，实际推广难度较大。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种竹材纤维素气凝胶保温材料及其制备方法和应用。
本发明采用如下技术方案：
一种竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法，包括，将竹加工废弃物经漂白处理脱除木质素制得综纤维素，将所述综纤维素配置成悬浮液后超声破碎，再依次经过预冷冻和真空冷冻干燥处理。
具体地，在上述技术方案中，漂白处理是为了脱除竹加工废弃物中的木质素，便于后续超声破碎，仅一步化学处理有利于降低处理成本，提高原材料利用率，减少环境污染；超声破碎处理是为了增加所制备气凝胶保温材料的比表面积，也是制备轻质、低密度、高孔隙率气凝胶保温材料的必要条件，此外，由于竹材中两种主要组成单元细胞壁结构的差异性，薄壁细胞疏松的结构易于解离为微纳米级纤维，而竹纤维密实的细胞壁结构使其仅解离为单根纤维，这有利于制备具有一定强度的气凝胶保温材料，是其他破碎方法无法达到的；冷冻干燥是为了将样品中的固态溶剂升华去除，减小表面张力，保护所制备的气凝胶完整的孔隙结构。
在上述技术方案中，将竹加工废弃物加入到漂白剂溶液中，调节其pH值为3.5-5进行所述漂白处理。
进一步地，在上述技术方案中，所述漂白剂溶液为浓度为0.8-1.5wt％的亚氯酸钠溶液。
进一步地，在上述技术方案中，所述漂白处理的处理温度和处理时间分别为70-80℃和5-7.5h。
在一个优选实施方式中，所述漂白处理具体为，将竹加工废弃物用水清洗后，加入到质量为所述竹加工废弃物12.5-18倍的1.0wt％的亚氯酸钠溶液中，加入冰醋酸调节其pH值为4，加热至75℃反应，6h后用水洗涤至中性。
优选地，在上述技术方案中，在所述加热至75℃反应过程中，每间隔1h补加亚氯酸钠和冰醋酸，控制亚氯酸钠溶液浓度和pH值分别为1.0wt％和4.0。
在上述技术方案中，所述超声破碎的超声功率为750-1000W。
在上述技术方案中，所述超声破碎的超声频率为12-17.5kHz。
在另一个优选实施方式中，所述超声破碎具体为，将所述综纤维素加水配置成0.8-1.2wt％的综纤维素悬浮液，在超声频率为15kHz和超声功率为840W条件下，以超声5s后间歇5s的方式超声破碎18-25min。
具体地，在上述技术方案中，将综纤维素悬浮液置于高频超声细胞破碎仪中破碎，由于超声在液相中生成大量的空化气泡，在破裂后产生微射流可撕碎细胞壁层，从而得到综纤维素溶胶。
在上述技术方案中，所述预冷冻的冷冻温度和冷冻时间分别为-90℃～-75℃和25-40min。
在上述技术方案中，所述真空冷冻干燥的温度为-90℃～-75℃，时间为30-45h，真空度小于0.01Torr。
具体地，在实际操作中，将超声破碎后得到综纤维素溶胶倒入四面导热均匀的模具中，置入-90℃～-75℃低温冰箱中冷冻后，转移至-90℃～-75℃真空冷冻干燥机，冷冻干燥后即得竹材纤维素气凝胶保温材料。
根据本发明的另一方面还提供了上述制备方法制备得到的竹材纤维素气凝胶保温材料。
根据本发明的又一方面还提供了上述制备方法或上述竹材纤维素气凝胶保温材料在建筑保温材料中的应用。
本发明的优点：
(1)本发明提供了一种竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法，该方法包含一个化学处理步骤、一个超声处理步骤和一个冷冻处理步骤，能大大减少化学药剂的使用，绿色环保；
(2)本发明所提供的竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法制备工艺简单，能耗低，制备时间短，原料来源广泛且价格低廉，成本低，实际应用前景广阔；
(3)本发明所提供的竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法能在不添加化学增强剂的前提下，回收利用竹加工废弃物中包含的薄壁细胞和纤维，利用以上两种组织的差异性制备具有一定力学强度的纤维素气凝胶保温材料，拓展了绿色、高效气凝胶保温材料的制备方法；
(4)本发明所提供的竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法能有效提高竹加工废弃物的利用率和产业附加值，拓展了竹加工废弃物再利用的途径，理论意义重大。
附图说明
图1为本发明实施例中竹材纤维素气凝胶保温材料的制备工艺流程图；
图2为本发明实施例1中所制备得到的竹材纤维素气凝胶保温材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
以下实施例仅用于进一步说明本发明的内容，不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。
若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本发明实施例提供了一种竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、取竹加工废弃物，用去离子水洗净后置入容器中，加入质量为竹加工废弃物的15倍的1.0wt％的亚氯酸钠溶液，同时，加入冰醋酸调节其pH值为4.0，并在水浴锅中以75℃条件下处理6h，其中，每隔1小时，补加亚氯酸钠和冰醋酸，控制亚氯酸钠溶液浓度和pH值分别为1.0wt％和4.0，以脱除木质素，随后用去离子水洗涤至中性，得综纤维素；
S2、取10g步骤S1所制得的综纤维素样品加入到990g去离子水中，分散制得浓度1wt％的综纤维素悬浮液，随后利用工业超声波破碎仪Scientiz-III，超声参数为：额定功率2800W，输出功率30％，超声频率15kHz，工作时间5s，间歇时间5s，处理20min，制得综纤维素溶胶；
S3、将步骤S2所制得的综纤维素溶胶倒入以各面为均匀导热的模具中，置入-80℃低温冰箱冷冻30min后，放入LABCONCO free zone真空冷冻干燥机中(真空度小于0.01Torr)在-80℃下干燥36h，即得竹材纤维素气凝胶保温材料。
如图2所示为所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料的SEM图，从图中可以看出，所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料内部形成由综纤维素片层相互连接的蜂窝多孔网状结构，这是由于在冷冻过程中，大量综纤维素纤维受冰晶挤压从而相互聚集堆砌在相邻冰晶的间隙内造成的。
此外，采用质量/体积的方法测定所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料的表观密度，结果表明，所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料的表观密度为10kg/m3；采用瞬态平面热源法(Hot Disk导热系数分析仪)测定所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料的导热系数，结果表明，所制得的竹材纤维素气凝胶保温材料的导热系数为0.0287W/m·K。
实施例2
本发明实施例提供了一种竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法，与实施例1类似，具体包括以下步骤：
S1、取竹加工废弃物，用去离子水洗净后置入容器中，加入质量为竹加工废弃物的13.5倍的1.2wt％的亚氯酸钠溶液，同时，加入冰醋酸调节其pH值为3.5，并在水浴锅中以75℃条件下处理5h，其中，每隔1小时，补加亚氯酸钠和冰醋酸，控制亚氯酸钠溶液浓度和pH值分别为1.2wt％和3.5，以脱除木质素，随后用去离子水洗涤至中性，得综纤维素；
S2、取10g步骤S1所制得的综纤维素样品加入到990g去离子水中，分散制得浓度1wt％的综纤维素悬浮液，随后利用工业超声波破碎仪Scientiz-III，超声参数为：额定功率2800W，输出功率35％，超声频率15kHz，工作时间5s，间歇时间5s，处理16min，制得综纤维素溶胶；
S3、将步骤S2所制得的综纤维素溶胶倒入以各面为均匀导热的模具中，置入-75℃低温冰箱冷冻35min后，放入LABCONCO free zone真空冷冻干燥机中(真空度小于0.01Torr)在-75℃下干燥40h，即得竹材纤维素气凝胶保温材料。
采用实施例1相同的方法测得所制备得到的竹材纤维素气凝胶保温材料的密度和导热系数分别为10.2kg/m3和0.0292W/m·K。
最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种竹材纤维素气凝胶保温材料的制备方法，其特征在于，由步骤（1）将竹加工废弃物经漂白处理脱除木质素制得综纤维素；（2）将所述综纤维素配置成悬浮液后超声破碎得到综纤维素溶胶；（3）再依次经过预冷冻和真空冷冻干燥处理制备得到；
所述漂白处理为，将竹加工废弃物加入到漂白剂溶液中，调节其pH值为3.5-5进行；
所述超声破碎具体为，将所述综纤维素加水配置成0.8-1.2 wt%的综纤维素悬浮液，在超声频率为15 kHz和超声功率为840 W条件下，以超声5 s后间歇5 s的方式超声破碎18-25min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述漂白剂溶液为浓度为0.8-1.5 wt%的亚氯酸钠溶液；
和/或，所述漂白处理的处理温度和处理时间分别为70-80 ℃和5-7.5 h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述漂白处理具体为，将竹加工废弃物用水清洗后，加入到质量为所述竹加工废弃物12.5-18倍的1.0 wt%的亚氯酸钠溶液中，加入冰醋酸调节其pH值为4，加热至75 ℃反应，6 h后用水洗涤至中性。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述加热至75 ℃反应过程中，每间隔1 h补加亚氯酸钠和冰醋酸，控制亚氯酸钠溶液浓度和pH值分别为1.0 wt%和4.0。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，
所述预冷冻的冷冻温度和冷冻时间分别为-90℃~ -75℃和25-40 min；
和/或，所述真空冷冻干燥的温度为-90℃~ -75℃，时间为30-45 h，真空度小于0.01Torr。
6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的竹材纤维素气凝胶保温材料。
7.权利要求6所述的竹材纤维素气凝胶保温材料在建筑保温材料中的应用。
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