一种生物质水凝胶、制备方法及应用

1.本发明涉及一种生物质水凝胶、制备方法及应用。


背景技术：

2.到目前为止，水仍然是最常用的灭火剂，具有廉价易得，比热容高且对环境无污染等优点。但是，由于水的流动性好，附着力较低，喷射到火场后大部分水会流失，很难长时间覆盖在可燃物表面，就很容易造成水资源浪费甚至导致复燃，而且对于着火面积大、火势发展迅猛、扑救难度大的大型火灾，用水扑救往往只能控制火灾蔓延，难以及时有效的将大火扑灭。
3.因此为了改善水附着力弱，抗复燃能力低等显著问题，有许多学者尝试制备以水为分散介质的，具有网状交联结构的高分子材料
‑‑‑
水凝胶。许多研究人员对水凝胶体系进行了深入研究。在我国的中国矿业大学、浙江大学、中国人民武警武装部队学院等多个团队及相关企业已对水凝胶灭火剂展开了研究，但绝大多数团队仍以聚丙烯酰胺此类材料作为基体，这就会存在灭火后残留的有机物难以生物降解、环境友好性差，以及成本过高等问题。
4.海藻酸钠(sa)是海藻酸的钠盐，它是从褐藻或海藻中提取碘和甘露醇的副产品。羧甲基纤维素钠(cmc-na)是一种阴离子纤维素醚，具有易降解、易获得原料、易于微生物和植物利用等优点。它是世界上使用最广泛的纤维素。


技术实现要素：

5.为解决现有的水凝胶灭火剂存在的难被环境降解、成本高和阻燃效果差的问题，本发明实施例提供一种生物质水凝胶、制备方法及应用。
6.本发明实施例通过下述技术方案实现：
7.第一方面，本发明实施例提供一种生物质水凝胶的制备方法，包括：
8.羧甲基纤维素的水性可溶盐的水溶液与海藻酸的水性可溶盐的水溶液混匀后反应，得到生物基溶液；
9.将所述生物基溶液与含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液混匀后反应，得到反应液；
10.将所述反应液与含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液混匀后进行聚合反应，烘干后得到生物质水凝胶。
11.进一步的，羧甲基纤维素的水性可溶盐的水溶液与海藻酸的水性可溶盐的水溶液混匀后反应，得到生物基溶液；包括：
12.将干燥的羧甲基纤维素的水性可溶盐在水中糊化，得到糊化溶液；
13.将海藻酸的水性可溶盐的水溶液与糊化溶液混匀后反应，得到生物基溶液。
14.进一步的，羧甲基纤维素的水性可溶盐为羧甲基纤维素钠，海藻酸的水性可溶盐为海藻酸钠；其中，羧甲基纤维素钠与海藻酸钠的质量比为1-5：1-5。
15.进一步的，含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液由酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液和过硫酸铵溶解于去离子水中制成；所述羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液和过硫酸铵的质量比为1-5：1-5：10-30：0.01-0.1。
16.进一步的，含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液由n-异丙基丙烯酰胺和n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺溶解于水中制成；羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液、过硫酸铵、n-异丙基丙烯酰胺和n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1-5：1-5：10-30：0.01-0.1：0.1-1：0.01-0.1。
17.进一步的，所述糊化的温度为60-80℃，时间为5min-10min。
18.进一步的，所述聚合反应的温度为60-80℃，反应时间为30min-60min。
19.第二方面，本发明实施例提供一种生物质水凝胶，由以下质量份数的组份制成：
20.羧甲基纤维素的水性可溶盐：1份-5份；
21.海藻酸的水性可溶盐：1份-5份；
22.酸碱性为中性的丙烯酸的水性可溶盐溶液：10份-30份；
23.过硫酸盐0.01份-0.1份；
24.n-异丙基丙烯酰胺0.1份-1份；
25.n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺0.01份-0.1份以及余量的去离子水。
26.进一步的，所述羧甲基纤维素的水性可溶盐为羧甲基纤维素钠，海藻酸的水性可溶盐为海藻酸钠，酸碱性为中性的丙烯酸的水性可溶盐溶液为酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液，过硫酸盐为过硫酸钠。
27.第三方面，本发明实施例提供所述制备方法或所述生物质水凝胶在制备生物质灭火剂中的应用。
28.本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
29.本发明实施例的一种生物质水凝胶、制备方法及应用，通过采用羧甲基纤维素的水性可溶盐与海藻酸的水性可溶盐制成生物质水凝胶，该生物质水凝胶对环境无害物质，为环境友好型材料；羧甲基纤维素的水性可溶盐与海藻酸的水性可溶盐易获取原料，价格低廉，易降解且不产生二次污染；本发明实施例通过采用自由基聚合得到形成三维网状结构层来改变水凝胶的性能特点，使其亲水性增加，更利于与水分子紧密接触，从而达到增强水凝胶吸水稳固能力，在测试中，本发明实施例的生物质水凝胶的点燃痕迹时间可达到300秒，在灭火的同时具有良好的阻燃效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1为生物质水凝胶的制备方法流程示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本
发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
33.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
34.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
35.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
36.实施例
37.为解决现有的水凝胶灭火剂存在的难被环境降解、成本高和阻燃效果差的问题，本发明实施例提供一种生物质水凝胶、制备方法及应用。第一方面，本发明实施例提供一种生物质水凝胶的制备方法，参考图1所示，包括：
38.s1.羧甲基纤维素的水性可溶盐的水溶液与海藻酸的水性可溶盐的水溶液混匀后反应，得到生物基溶液；
39.s2.将所述生物基溶液与含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液混匀后反应，得到反应液；
40.s3.将所述反应液与含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液混匀后进行聚合反应，烘干后得到生物质水凝胶。
41.本发明实施例采用羧甲基纤维素的水性可溶盐与海藻酸的水性可溶盐制成生物质水凝胶，该生物质水凝胶对环境无害物质，为环境友好型材料。
42.羧甲基纤维素的水性可溶盐与海藻酸的水性可溶盐易获取原料，价格低廉，易降解且不产生二次污染；海藻酸钠分子结构中存在大量羧基和羟基，可吸收空气中大量水分，能够降低燃烧物的表面温度，达到阻燃效果；本发明实施例通过采用自由基聚合得到形成三维网状结构层来改变水凝胶的性能特点，使其亲水性增加，更利于与水分子紧密接触，从而达到增强水凝胶吸水稳固能力，在测试中，本发明实施例的生物质水凝胶的点燃痕迹时间可达到300秒，在灭火的同时具有良好的阻燃效果。
43.进一步的，羧甲基纤维素的水性可溶盐的水溶液与海藻酸的水性可溶盐的水溶液混匀后反应，得到生物基溶液；包括：
44.将干燥的羧甲基纤维素的水性可溶盐在水中糊化，得到糊化溶液；
45.将海藻酸的水性可溶盐的水溶液与糊化溶液混匀后反应，得到生物基溶液。
46.进一步的，羧甲基纤维素的水性可溶盐为羧甲基纤维素钠，海藻酸的水性可溶盐
为海藻酸钠；其中，羧甲基纤维素钠与海藻酸钠的质量比为1-5：1-5。
47.进一步的，含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液由酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液和过硫酸铵溶解于去离子水中制成；所述羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液和过硫酸铵的质量比为1-5：1-5：10-30：0.01-0.1。
48.进一步的，含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液由n-异丙基丙烯酰胺和n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺溶解于水中制成；羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液、过硫酸铵、n-异丙基丙烯酰胺和n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1-5：1-5：10-30：0.01-0.1：0.1-1：0.01-0.1。
49.进一步的，所述糊化的温度为60-80℃，时间为5min-10min。
50.进一步的，所述聚合反应的温度为60-80℃，反应时间为30min-60min。
51.为了解决水系灭火剂流动性差和现有凝胶灭火剂基体材料价格较高、残留物难降解且对环境友好性差的问题，申请人对水凝胶灭火剂的制作方式进行了长期深入的实验研究，通过对添加的聚合物基料的筛选和实验处理，使之达到吸水倍率高且粘度较高的要求。再通过长期的实验优化，从吸水倍率、失水率、表观粘度等综合考虑，得到了综合性能均能满足要求的生物质水凝胶。
52.基于此，本发明实施例提供一种生物质水凝胶，由以下质量份数的组份制成：
53.羧甲基纤维素的水性可溶盐：1份-5份；
54.海藻酸的水性可溶盐：1份-5份；
55.酸碱性为中性的丙烯酸的水性可溶盐溶液：10份-30份；
56.过硫酸盐0.01份-0.1份；
57.n-异丙基丙烯酰胺0.1份-1份；
58.n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺0.01份-0.1份以及余量的去离子水。
59.进一步的，所述羧甲基纤维素的水性可溶盐为羧甲基纤维素钠，海藻酸的水性可溶盐为海藻酸钠，酸碱性为中性的丙烯酸的水性可溶盐溶液为酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液，过硫酸盐为过硫酸钠。
60.酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液由质量分数为25％的氢氧化钠溶液和质量分数为99.5％的丙烯酸制成。
61.第三方面，本发明实施例提供所述制备方法或所述生物质水凝胶在制备生物质灭火剂中的应用。
62.实施例1
63.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：将生物质材料先经过实验预处理，在65℃下的烘箱中进行烘干处理，然后密封保存。按重量g数计，称取1.5g烘干处理好的羧甲基纤维素钠分散到60ml去离子水中，预先在烧杯中充分搅拌后再倒入250ml三口烧瓶中，在氮气气氛，80℃下的油浴锅中进行5min的搅拌，使之糊化后，再将1g海藻酸钠分散到20ml去离子水中，充分搅拌后转移到三口烧瓶中继续搅拌反应。30min后，待温度降至65℃，量取10g经过饱和氢氧化钠溶液中和的丙烯酸钠溶液和0.01g的过硫酸铵分别分散在5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。反应5min后，再称取0.1gn-异丙基丙烯酰胺和0.01gn，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺分别分散到5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。在此温度下继续反应30min至反应结束，得到的产物在60℃烘箱中烘干。
64.实施例2
65.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：将生物质材料先经过实验预处理，在65℃下的烘箱中进行烘干处理，然后密封保存。按重量g数计，称取2.5g烘干处理好的羧甲基纤维素钠分散到60ml去离子水中，预先在烧杯中充分搅拌后再倒入250ml三口烧瓶中，在氮气气氛，80℃下的油浴锅中进行10min的搅拌，使之糊化后，再将1.5g海藻酸钠分散到20ml去离子水中，充分搅拌后转移到三口烧瓶中继续搅拌反应。35min后，待温度降至60℃，量取15g经过饱和氢氧化钠溶液中和的丙烯酸钠溶液和0.05g的过硫酸铵分别分散在5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。反应10min后，再称取0.3gn-异丙基丙烯酰胺和0.05gn，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺分别分散到5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。在此温度下继续反应40min至反应结束，得到的产物在70℃烘箱中烘干。
66.实施例3
67.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：将生物质材料先经过实验预处理，在65℃下的烘箱中进行烘干处理，然后密封保存。按重量g数计，称取3.5g烘干处理好的羧甲基纤维素钠分散到60ml去离子水中，预先在烧杯中充分搅拌后再倒入250ml三口烧瓶中，在氮气气氛，75℃下的油浴锅中进行15min的搅拌，使之糊化后，再将4g海藻酸钠分散到20ml去离子水中，充分搅拌后转移到三口烧瓶中继续搅拌反应。30min后，待温度降至65℃，量取20g经过饱和氢氧化钠溶液中和的丙烯酸钠溶液和0.1g的过硫酸铵分别分散在5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。反应15min后，再称取0.6gn-异丙基丙烯酰胺和0.1gn，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺分别分散到5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。在此温度下继续反应50min至反应结束，得到的产物在80℃烘箱中烘干。
68.实施例4
69.一种生物质水凝胶，由以下质量份数的组份制成：羧甲基纤维素钠：1份；海藻酸钠：1份；酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液：10份；过硫酸钠0.01份；n-异丙基丙烯酰胺0.1份；n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺0.01份以及余量的去离子水。
70.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：s1.将干燥的羧甲基纤维素的水性可溶盐在水中糊化，糊化的温度为60℃，时间为5min，得到糊化溶液；将海藻酸的水性可溶盐的水溶液与糊化溶液混匀后反应，得到生物基溶液；s2.将所述生物基溶液与含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液混匀后反应，得到反应液；s3.将所述反应液与含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液混匀后进行聚合反应，聚合反应的温度为60℃，反应时间为30min；烘干后得到生物质水凝胶。
71.实施例5
72.一种生物质水凝胶，由以下质量份数的组份制成：羧甲基纤维素钠：5份；海藻酸钠：1份；酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液：30份；过硫酸钠0.1份；n-异丙基丙烯酰胺1份；n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺0.1份以及余量的去离子水。
73.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：s1.将干燥的羧甲基纤维素的水性可溶盐在水中糊化，糊化的温度为80℃，时间为10min，得到糊化溶液；将海藻酸的水性可溶盐的水溶液与糊化溶液混匀后反应，得到生物基溶液；s2.将所述生物基溶液与含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液混匀后反应，得到反应液；s3.将所述反应液与含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液混匀后进行聚合反应，聚合反应的温度为60-80℃，
反应时间为60min；烘干后得到生物质水凝胶。
74.实施例6
75.一种生物质水凝胶，由以下质量份数的组份制成：羧甲基纤维素钠：2份；海藻酸钠：4份；酸碱性为中性的丙烯酸钠溶液：20份；过硫酸钠0.05份；n-异丙基丙烯酰胺0.6份；n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺0.06份以及余量的去离子水。
76.一种生物质水凝胶的制备方法，包括：s1.将干燥的羧甲基纤维素的水性可溶盐在水中糊化，糊化的温度为65℃，时间为8min，得到糊化溶液；将海藻酸的水性可溶盐的水溶液与糊化溶液混匀后反应，得到生物基溶液；s2.将所述生物基溶液与含有丙烯酸的水性可溶盐和过硫酸盐的水溶液混匀后反应，得到反应液；s3.将所述反应液与含有n-异丙基丙烯酰胺和n,n-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液混匀后进行聚合反应，聚合反应的温度为67℃，反应时间为40min；烘干后得到生物质水凝胶。
77.实施例7
78.选取生物质材料，先经过实验预处理，在60℃下的烘箱中进行烘干处理，然后密封保存。称取1g烘干处理好的羧甲基纤维素钠分散到60ml去离子水中，预先在烧杯中充分搅拌后再倒入250ml三口烧瓶中，在氮气气氛，80℃下的油浴锅中进行5min的搅拌，使之糊化后，再将1g海藻酸钠分散到20ml去离子水中，充分搅拌后转移到三口烧瓶中继续搅拌反应。30min后，待温度降至60℃，量取20ml经过饱和氢氧化钠溶液中和的丙烯酸钠溶液和0.05g的过硫酸铵分别分散在5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。反应5min后，再称取0.25g n-异丙基丙烯酰胺和0.1g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺分别分散到5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中，在此温度下继续反应60min，此水凝胶在60℃鼓风烘箱中，24h干燥后，得到白色(或淡黄色)固体，即复配体系p(sa/cmc/pnipam)水凝胶。在25℃去离子水中测得其吸水倍率482g/g。此实施例的条件以及比例下的效果为较佳效果，其他条件下的浓度比例对最主要因素
‑‑
吸水倍率均有一定的影响。
79.称取2g烘干处理好的羧甲基纤维素钠分散到90ml去离子水中，预先在烧杯中充分搅拌后再倒入250ml三口烧瓶中，在氮气气氛，80℃下的油浴锅中进行5min的搅拌，使之糊化，30min后，待温度降至60℃，量取20ml经过饱和氢氧化钠溶液中和的丙烯酸钠溶液和0.05g的过硫酸铵分别分散在5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中。反应5min后，再称取0.25g n-异丙基丙烯酰胺和0.1g n，n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺分别分散到5ml去离子水中，充分搅拌后加入到三口烧瓶中，在此温度下继续反应60min，此水凝胶在60℃鼓风烘箱中，24h干燥后，得到白色固体，即为简单水凝胶。
80.将本发明制备的单一体系水凝胶及其复配水凝胶及水进行吸水性测试和阻燃性能测试，具体测试结果如下表1。
81.表1本发明实施例的复配水凝胶与现有材料的性能对比
[0082][0083]
参考表1所示，生物质基水凝胶的吸水能力可以由实验数据中得到，其吸水倍率可以达到482g/g；意味着生物质水凝胶对水的利用率提高，能在一定程度上能提高灭火效率，减少灭火时间；从出现点燃痕迹时间来看，生物质水凝胶的出现点燃痕迹时间可达300s，即可以将起燃时间延后5分钟，从而，生物质水凝胶在一定程度上还能对未燃烧物起到防火作用。从而，本发明实施例的生物质水凝胶具有灭火防火、对环境友好、原材料廉价易得的特点。
[0084]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。