一種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素凝膠系材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一類纖維素材料及其制備方法，尤其是具有梯度結(jié)構(gòu)和性能的纖維素 凝膠系材料的制備方法，屬于功能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 梯度功能材料，是基于一種全新的材料設(shè)計(jì)概念而開發(fā)的新型功能材料。由于材 料構(gòu)成要素(成分、結(jié)構(gòu)等)在幾何空間上連續(xù)的呈梯度變化，從而使得材料的性質(zhì)和功能 在幾何空間上也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。隨著梯度功能材料的研究和開發(fā)，其應(yīng) 用也逐漸擴(kuò)展到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫M成也日漸豐盈，應(yīng)用前景十分廣闊。特別地， 為響應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，天然可降解再生材料逐漸被應(yīng)用到梯度材料的制備中。申請(qǐng)?zhí)枮?201210575870.2,201310140975 .X和201310140943 .X的中國(guó)發(fā)明專利通過(guò)在復(fù)雜繁瑣且苛 刻的實(shí)驗(yàn)條件下，由微生物消耗糖源代謝形成纖維素微纖絲，然后通過(guò)氫鍵結(jié)合制備了具 有上密下疏結(jié)構(gòu)的一種細(xì)菌纖維素膜，其厚度最高只有15mm，其中大部分為疏松層。另外， 這種細(xì)菌纖維素梯度材料的孔徑尺寸較大(2000nm~SOOOnm)，比表面積較小;值得注意的 是，這種細(xì)菌纖維素梯度材料不具有導(dǎo)電性能。目前為止，還未有以植物纖維素為原料采用 綠色簡(jiǎn)易的方法制備梯度孔狀結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)技術(shù)。
[0003]以綠色環(huán)保的離子液體(ILs)為溶劑，溶解天然高分子材料一纖維素，再生制備新 材料既具有實(shí)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)于緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)及環(huán)境問(wèn)題都具有重要意義，然 而，在現(xiàn)有技術(shù)中，用以上兩種組分為原料所制備的纖維素凝膠材料均具有均一的結(jié)構(gòu)，不 具有梯度材料所特有的結(jié)構(gòu)和性能。
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于咪唑類離子液體能夠 快速高效溶解纖維素，以及自身優(yōu)異的離子導(dǎo)電性及其與水分子任意比例互溶的特性，無(wú) 需其他物質(zhì)的添加和復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，一次性得到一系列具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)和性能的纖維素 凝膠材料及成本低、工藝簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的制備方法。特別的，該凝膠系材料中的離子膠具 有較為優(yōu)異的導(dǎo)電能力，可拓寬其應(yīng)用范圍。而且，因該凝膠系材料具有較低的孔徑、高的 比表面積、優(yōu)良的生物降解性、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、極低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可最大程度 模仿人類的皮膚及人體血管組織外疏內(nèi)密的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在人工皮膚、人造血管支架等生物 醫(yī)藥領(lǐng)域以及化妝品領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用；除此之外，得益于其超寬的孔徑尺寸及其分布范 圍，這種凝膠系材料還可應(yīng)用在污水處理、食品除濁、物料分離等領(lǐng)域，以及能量?jī)?chǔ)存、信息 傳遞器件的制備等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)和性能的纖維素凝膠系材料。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)和性能的纖維素凝膠系材料 的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的另一目的還在于提供利用咪唑類離子液體快速高效溶解纖維素的方法
[0009] 本發(fā)明的另一目的還在于提供使用去離子水滲透擴(kuò)散過(guò)程中，纖維素再生析出， 得到纖維素離子膠的方法。
[0010] 本發(fā)明的另一目的還在于提供一種綠色環(huán)保、簡(jiǎn)單易行、成本低廉的纖維素凝膠 系材料的制備方法。
[0011] 本發(fā)明的另一目的還在于提供一種快速的，可大規(guī)模生產(chǎn)制備纖維素凝膠系材料 的制備方法。
[0012]技術(shù)方案
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案提供了一種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)和性能的纖維素凝膠系材料的 制備方法，該方法采用普通的加熱攪拌處理，將纖維素粉末在離子液體中直接溶解得到均 勻透明的纖維素離子液體溶液，然后在該纖維素離子液體溶液的上方加入少量去離子水， 依靠水的重力及其與離子液體優(yōu)異的相容性，水分子自上而下逐漸擴(kuò)散滲透到纖維素離子 液體溶液中，同時(shí)，纖維素自上而下從離子液體中再生析出，靜置至混合溶液液面不再變 化，將多余的離子液體水溶液去掉后即制得呈梯度分布的具有孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠， 其孔徑尺寸范圍為50nm~2000nm，該孔狀結(jié)構(gòu)的形成不需要任何的制孔劑。通過(guò)溶劑置換、 冷凍干燥，可進(jìn)一步得到纖維素水凝膠和氣凝膠材料。
[0014] 本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0015] -種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠，其特征在于:該離子膠具有孔狀結(jié)構(gòu)，其 孔徑尺寸沿離子膠長(zhǎng)度方向呈梯度分布，其孔徑尺寸分布范圍為2000nm~50nm;該離子膠 的組成包括以下重量百分比的組分：
[0016] 纖維素 2.0 ~10%;
[0017] 離子液體 40~80%;
[0018] 水 10 ~58%。
[0019] 所述具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠的制備方法，其特征在于該方法包括以下 步驟：
[0020] (1)纖維素離子液體溶液的制備:將纖維素粉末加入到離子液體中，加熱攪拌處理 后得到纖維素離子液體溶液；
[0021] (2)纖維素離子膠的制備:在步驟(1)制備的纖維素離子液體溶液上方加入少量去 離子水，靜置至混合溶液液面不再變化，將多余的離子液體水溶液除掉，即制得纖維素離子 膠。
[0022] (3)所制的具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠，其特征在于:所述離子液體由帶正 電的陽(yáng)離子和帶負(fù)電的陰離子構(gòu)成，其中陽(yáng)離子和陰離子都可被相應(yīng)取代;所述纖維素是 來(lái)源于棉花，麻，稻草的微晶纖維素，a-纖維素，紙漿纖維素或棉漿纖維素中的一種或多種； 該纖維素離子膠具有梯度變化密度和電導(dǎo)率，其密度范圍為1.01~1.20g/cm 3,電導(dǎo)率范圍 為5 · 20 X 10-4~2 · 55 X 10-4S/cm。
[0023] 所制的具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠在生物醫(yī)藥、組織工程材料或生物傳感 器領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0024] 一種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素水凝膠材料，其特征在于:該水凝膠具有孔狀結(jié) 構(gòu)，其孔徑尺寸沿水凝膠長(zhǎng)度方向呈梯度分布，其孔徑尺寸分布范圍為2000nm~50nm;該纖 維素水凝膠材料包括以下重量百分比的組分：
[0025] 纖維素 2~10%;
[0026] 水 90 ~98 %。
[0027] 所制具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素水凝膠材料的制備方法，其特征在于該方法包括 以下步驟：
[0028] (1)纖維素離子液體溶液的制備:將纖維素粉末加入到離子液體中，加熱攪拌處理 后得到纖維素離子液體溶液；
[0029] (2)纖維素離子膠的制備:在步驟(1)制備的纖維素離子液體溶液上方加入少量去 離子水，靜置至混合溶液液面不再變化，將多余的離子液體水溶液除掉，即制得纖維素離子 膠；
[0030] (3)纖維素水凝膠的制備:將前述纖維素離子膠置于去離子水中，使得離子液體全 部被水溶液替換，從而得到纖維素水凝膠。
[0031] 所制的具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素水凝膠，其特征在于該水凝膠具有梯度變化壓 縮強(qiáng)度和形變，其自上而下的壓縮強(qiáng)度范圍為90~120KPa，形變量范圍為10~50%。
[0032] 所制的纖維素水凝膠在生物醫(yī)藥、日常用品和工業(yè)用品領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0033] -種具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素氣凝膠材料的制備方法，其特征在于該方法包括 以下步驟：
[0034] (1)纖維素離子液體溶液的制備:將纖維素粉末加入到離子液體中，加熱攪拌處理 后得到纖維素離子液體溶液；
[0035] (2)纖維素離子膠的制備:在步驟(1)制備的纖維素離子液體溶液上方加入少量去 離子水，靜置至混合溶液液面不再變化，將多余的離子液體水溶液除掉，即制得纖維素離子 膠；
[0036] (3)纖維素水凝膠的制備:將具有梯度孔狀結(jié)構(gòu)的纖維素離子膠置于去離子水中， 使得離子液體全部被水溶液替換，從而得到纖維素水凝膠；
[0037] (4)纖維素氣凝膠的制備:將前述纖維素水凝膠干燥后去除所含水份，得到纖維素 氣凝膠。
[0038] 該氣凝膠具有孔狀結(jié)構(gòu)，其孔徑尺寸沿氣凝膠長(zhǎng)