多糖氣凝膠的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常設(shè)及基于多糖的氣凝膠。本發(fā)明也設(shè)及形成基于多糖的氣凝膠的方法 和其用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣凝膠是經(jīng)干燥的凝膠，其極輕，具有如高多孔性和大表面積的性質(zhì)。通常用作氣 凝膠的材料包括二氧化娃、碳、氧化侶或氧族元素(chalcogens)。然而，二氧化娃氣凝膠極 其易碎，并且形成W上氣凝膠的工序花費大，一些工序需要對環(huán)境有毒害的溶劑。
[0003] 由于氣凝膠的低熱導(dǎo)率，它們已經(jīng)被研究W用作熱絕緣體。溫室效應(yīng)一直使地球 變暖并威脅人類生活。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在2005年發(fā)達(dá)國家中，來自建筑物的C0油巧義造成大于30% 的溫室氣體排放。建筑物也是該年39%的能量消耗的原因。改善建筑物的熱絕緣是針對該 問題最有效的解決方法之一。因此，已經(jīng)開發(fā)新絕緣材料中進(jìn)行了很多努力。二氧化娃氣凝 膠已經(jīng)被提議作為用于建筑物的絕緣材料。然而，它們非常易碎。已經(jīng)開發(fā)了基于柔性氣凝 膠的絕緣材料(基于包含甲基烷基化的二氧化娃和聚對苯二甲酸乙二醇醋的復(fù)合物），但它 比常規(guī)絕緣材料貴得多。
[0004] 高能耗、氣候變化和化石燃料的耗減需要更高可持續(xù)性和能效的建造方法。為了 達(dá)到改善的能效要求，建筑物的熱絕緣起重要作用。為了利用現(xiàn)有絕緣材料獲得更好的熱 絕緣，更厚的墻是期望的。然而，運(yùn)將增加建筑成本并影響一些問題，如地板面積、建筑限制 等。因此，開發(fā)更便宜的用于建造應(yīng)用的具有低熱導(dǎo)率的絕緣材料是必不可少的。在熱帶氣 候中，高濕度是影響建筑物壽命的額外因素。因為周圍空氣中的水氣含量高，可有利于可引 起過敏或呼吸問題的有害微生物諸如霉菌或細(xì)菌的生長。另外，高濕度的空氣可引起冷凝 形成在暴露于外部空氣諸如窗戶、墻或天花板的表面上，高濕度的空氣可比外部空氣更冷 (由于室內(nèi)空調(diào)的使用）。冷凝的水氣可能損害建筑材料。
[000引盡管氣凝膠在環(huán)境清理諸如從水中清理化學(xué)溢出物或移除重金屬中應(yīng)用有限，但 它們還沒有廣泛研究用于其他類型的環(huán)境污染。
[0006] 為了清理油溢出物，吸附劑已經(jīng)用作替代傳統(tǒng)方法諸如欄柵(boom)、撇油器、分散 劑或燃燒的可選擇物或與其一起使用。然而，運(yùn)些傳統(tǒng)方法對于從水中完全移除油不是非 常有效并且花費大。用于油移除的吸附劑可分為無機(jī)礦物、合成有機(jī)和天然有機(jī)材料。普通 吸收劑如聚丙締的吸收能力可多至它們重量的25倍。然而，高成本和低生物降解力是該技 術(shù)的主要缺點。
[0007] 也發(fā)現(xiàn)氣凝膠在需要水吸收的應(yīng)用中使用有限。由于氣凝膠諸如二氧化娃氣凝膠 的吸濕屬性，當(dāng)二氧化娃氣凝膠被放置在液態(tài)水中時，由于由所吸收的水施加的強(qiáng)毛細(xì)管 力，氣凝膠結(jié)構(gòu)實際上塌陷，導(dǎo)致固體二氧化娃骨干的斷裂。替代使用超級吸收劑聚合物來 吸收水。超級吸收劑聚合物是具有吸收和保留大體積水的能力的材料。因此，它們用于水吸 收應(yīng)用，諸如嬰兒尿布和女性衛(wèi)生巾。它們可在水中膨脹W形成可多至99wt%水的橡膠似 的凝膠。然而，吸收的水可僅通過干燥移除，并且吸收劑不是可生物降解的。
[0008] 需要提供一種氣凝膠，其克服或至少改善上述缺點中的一個或多個。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 根據(jù)第一方面，提供了基于多糖的氣凝膠，其包括其間具有孔的多糖纖維的網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)（"network")，其中孔徑處于微米范圍內(nèi)。
[0010] 有利地，大孔徑(處于微米范圍內(nèi)）可W使得氣凝膠吸收大量液體，指示氣凝膠的 高吸收能力。
[0011] 有利地，氣凝膠可涂覆有合適的疏水劑，W賦予氣凝膠的疏水潤濕性質(zhì)。由于氣凝 膠的疏水性質(zhì)，氣凝膠可用于吸收非極性液體諸如油。大孔徑可使得氣凝膠吸收高粘性非 極性液體，因為對于非極性液體來說可更容易擴(kuò)散入大孔。氣凝膠可為"自清潔的"，W便當(dāng) 水滴沿氣凝膠表面滾動，用水滴收集并攜帶灰塵時，氣凝膠上的任何污垢可從氣凝膠上移 除。
[0012] 任何所吸收的液體可通過在氣凝膠上施加壓力從氣凝膠上移除。有利地，運(yùn)是移 除所吸收液體的簡單方法，并且可不需要更復(fù)雜的方法諸如干燥氣凝膠。一旦所吸收的液 體從氣凝膠釋放，氣凝膠可被再次使用，促進(jìn)氣凝膠的重復(fù)使用性。
[0013] 在多糖是纖維素的情況下，與由純纖維素纖維(化學(xué)合成的，或源于細(xì)菌或直接從 植物原料獲得的植物纖維素）制成的納米纖維素氣凝膠相比，所公開的纖維素氣凝膠具有 處于微米范圍內(nèi)的孔，纖維素纖維的直徑處于微米范圍內(nèi)并且纖維素纖維的長度處于毫 米。對于納米纖維素氣凝膠，孔小Ξ個數(shù)量級(處于鋼米范圍內(nèi)），納米纖維素纖維的直徑和 長度也小Ξ個數(shù)量級(直徑處于鋼米范圍內(nèi)而長度處于微米范圍內(nèi)）。由于所公開的纖維素 氣凝膠的較大孔徑，與納米纖維素氣凝膠相比，所公開的氣凝膠對于給定液體具有更大的 吸收能力。另外，所公開的氣凝膠是柔性的，而納米纖維素氣凝膠是易碎的。
[0014] 有利地，多糖氣凝膠具有低熱導(dǎo)率值，其比得上良好絕緣材料的熱導(dǎo)率值，指示利 用氣凝膠作為熱絕緣體的可行性。
[0015] 根據(jù)第二方面，提供了一種用于形成基于多糖的氣凝膠的方法，其包括W下步驟： a.在存在聲能的情況下，將來自可回收材料的多糖纖維溶解在多糖溶劑中W形成多糖分散 體;和b.將多糖分散體形成為氣凝膠。
[0016] 有利地，該方法不需要使用交聯(lián)劑W將多糖纖維聯(lián)結(jié)在一起，因為多糖纖維能夠 經(jīng)氨鍵自組合W形成Ξ維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0017] 根據(jù)第Ξ方面，提供一種用于形成基于疏水多糖的氣凝膠的方法，其包括W下步 驟:a.在存在聲能的情況下，將來自可回收材料的多糖纖維溶解在多糖溶劑中，W形成多糖 分散體;b.將多糖分散體形成為氣凝膠;和C.用疏水劑涂覆氣凝膠。
[0018] 有利地，用疏水劑涂覆氣凝膠可大體上不影響氣凝膠的物理性質(zhì)。因此，氣凝膠的 柔性、機(jī)械和熱性質(zhì)可W不受疏水劑涂覆的不利影響。
[0019] 根據(jù)第四方面，提供了一種可重復(fù)使用的吸收劑，其包括基于多糖的氣凝膠，該氣 凝膠具有其間具有孔的多糖纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中孔徑處于微米范圍內(nèi)。
[0020] 有利地，吸收劑可重復(fù)使用至少Ξ次，借此任何所吸收的液體可經(jīng)由施加壓力容 易地從氣凝膠上移除。在移除所吸收的液體后，氣凝膠可被再次使用。
[0021] 根據(jù)第五方面，提供了一種用于基于多糖的氣凝膠的用途，該氣凝膠具有其間具 有孔的多糖纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中孔徑處于微米范圍內(nèi)，w用于吸收非極性液體。
[0022] 有利地，基于多糖的氣凝膠可用于從極性和非極性液體的混合物中吸收非極性液 體。在非極性液體是油的情況下，多糖氣凝膠可用于油治理。
[0023] 定義
[0024] 本文使用的下列詞語和術(shù)語應(yīng)具有指示的含義：
[0025] 術(shù)語"氣凝膠"寬泛地解釋為指的是由凝膠形成的多孔材料，其中凝膠的液體成分 由氣體取代。
[0026] 術(shù)語"回收的纖維素"寬泛地解釋為指的是從可回收材料獲得的纖維素?？蓮闹刑?取纖維素纖維的可回收材料的類型包括廢紙，諸如高等級紙(例如，計算機(jī)用紙、白紙、標(biāo)簽 卡等）W及其他類型的紙(例如，彩色紙、瓦愣紙板、報紙、雜志、電話簿、目錄簿、信封、包裝 紙、墊紙、紙袋等）。
[0027] 術(shù)語"微米范圍"寬泛地解釋為包括處于大約1皿至大約1000皿的范圍內(nèi)的任何尺 寸。
[0028] 術(shù)語"鋼米范圍"寬泛地解釋為包括低于大約1皿的任何尺寸。
[0029] 術(shù)語"接觸角"寬泛地解釋為包括在液體/固體界面之間測量的任何角度。接觸角 是系統(tǒng)特定的并取決于液體/固體界面的界面表面張力。疏液性的量化可表達(dá)為液體落在 表面上的接觸角的度數(shù)。
[0030] 術(shù)語"疏液性的"和"疏液性"，當(dāng)指的是表面時，寬泛地解釋為包括不使液滴大體 上在其上散布的任何性質(zhì)的表面。通常，如果液滴和表面之間的接觸角大于90°，則表面是 疏液性的或展示疏液性。同樣地，術(shù)語"疏水"和"疏水性"表示當(dāng)水為放置于其上的液體時， 表面是疏液性的或顯示疏液性。如果水滴和表面之間的接觸角大于150°，則表面被定義為 超級疏水。
[0031 ]術(shù)語"親液性的"或"親液性"，當(dāng)指的是表面時，寬泛地解釋為包括使液滴大體上 在其上散布的任何性質(zhì)的表面。通常，如果液滴和表面之間的接觸角小于90°時，表面是親 液性的。同樣地，術(shù)語"親油性腳'和"親油伴'表示當(dāng)油為放置于其上的液體時，表面是親液 性的或展示親液性。如果油滴和表面之間的接觸角為大約〇°，則表面被定義為超級親油性 的。術(shù)語"親水性的"和"親水性"表示當(dāng)水為放置于其上的液體時，表面是親液性的或展示 親液性。如果水滴和表面之間的接觸角為大約〇°，則表面被定義為超級親油性的。
[0032] 術(shù)語"自清潔"寬泛地解釋為指的是表面處理可存在于表面上任何污垢的能力。運(yùn) 可通過具有疏水表面完成，借此當(dāng)水滴沿表面滾動，用水滴收集并攜帶污垢時，存在于表面 上的任何污垢可從表面上移除。
[0033] 術(shù)語"疏水劑"寬泛地解釋為指的是包含非極性官能團(tuán)的化學(xué)化合物，由此當(dāng)涂覆 或施加在材料上時賦予排斥水的能力。
[0034] 詞語"大體上"不排除"完全地"，例如"大體上不含"Y的組合物可完全不含Y。在必 要的情況下，詞語"大體上"可從本發(fā)明的定義中省略。
[0035] 除非另有說明，術(shù)語"包括(comprising)"和"包括(comprise)"，和其語法上的變 體，意欲表示"開放的"或"包括一切的"語言，W便它們包括列舉的元素，而且允許包括額外 的、未列舉的元素。
[0036] 如本文所用的，術(shù)語"大約"，在配方成分濃度的上下文中，通常表示標(biāo)注值的+/- 5%，更通常地，標(biāo)注值的+/-4%，更通常地，標(biāo)注值的+/-3%，更通常地，標(biāo)注值的+/-2%， 甚至更通常地標(biāo)注值的+/-1 %，和甚至更通常地標(biāo)注值的+/-〇. 5%。
[0037] 在本公開通篇中，一些實施方式可W區(qū)間格式公開。應(yīng)該理解到W區(qū)間格式的描 述僅僅為了方便和簡潔，并不應(yīng)解釋為在所公開區(qū)間的范圍中是不變通的限制。相應(yīng)地，區(qū) 間的描述應(yīng)被認(rèn)為具體地具有所公開的所有可能的子區(qū)間W及區(qū)間內(nèi)的各個數(shù)值。例如， 區(qū)間的描述諸如從1至6被認(rèn)為具體地具有所公開的子區(qū)間，諸如從1至3、從1至4、從1至5、 從2至4、從2至6、從3至6等，W及區(qū)間內(nèi)的各個數(shù)字，例如，1、2、3、4、5和6。運(yùn)不管區(qū)間的寬 度都適用。
[0038] -些實施方式也可在本文中寬泛和一般地進(jìn)行描述。落入類屬公開的更窄的種類 和亞屬分組中的每一個也形成本公開的一部分。運(yùn)包括實施方式的類屬描述，其具有從類 屬中移除任何主題的限制性條款或否定限制，而不管刪除的材料是否具體地在本文中列 舉。
【具體實施方式】
[0039] 示例地，現(xiàn)在將公開基于多糖的氣凝膠的非限制性實施方式。
[0040] 基于多糖的氣凝膠包括其間具有孔的多糖纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中孔徑處于微米范 圍內(nèi)?；诙嗵堑臍饽z可具有均一多糖纖維的開放的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，指示多糖纖維經(jīng)氨 鍵成功地自組合?；诙嗵堑臍饽z可具有Ξ維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；诙嗵堑臍饽z由于多 糖-多糖氨鍵可具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，即使當(dāng)基于多糖的氣凝膠受到如W下進(jìn)一步說明的 一系列水或油吸收測試時，氣凝膠的形狀仍可維持。
[0041] 構(gòu)成基于多糖的氣凝膠的多糖纖維可源自可回收材料或從可回收材料獲得?？苫?收材料可為廢紙。通過從可回收材料獲得多糖纖維諸如纖維素纖維而不是直接經(jīng)生物工程