本发明属于纳米纤维复合气凝胶材料，具体涉及一种三维纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用。
背景技术：
1、水体是污染物在环境中分布的主要载体，随着水生态系统的循环，污染物通过径流、扩散、渗滤等多种途径进入地表水和地下水，引起饮用水源和食品污染，对生态环境和人类健康构成严重威胁。其中，有机染料广泛应用于食品、皮革、造纸和纺织工业等领域，是水体中最常见、最典型的污染物之一。废水中的有机染料可能导致人体多器官以及生殖系统和中枢神经系统功能障碍，并且大多数有机染料性质稳定、可降解性差。因此，开发从废水中高效去除有机染料的方法十分必要。在众多方法中，基于吸附剂的水净化技术因工艺简单、操作性强、效率高而被认为是最有前途的方法之一。
2、静电纺丝丝技术是制备纳米纤维最有效的方法之一，具有装置简单、原料来源范围广、纤维结构可控性好等特点。静电纺丝纳米纤维的高比表面积和高长径使其表现出优异的传质性能。以静电纺丝纳米纤维构筑的三维纳米纤维气凝胶，不仅具备高比表面积、高孔隙率，还具有独特的多级网孔互连结构，由此形成的微纳网络运输通道可实现更高效的传质,有效提升纳米纤维材料在吸附分离领域的应用性能，是一种理想的污染物去除材料。然而，传统的三维纳米纤维气凝胶存在机械稳定性差、吸附容量低等问题，限制了其实际应用。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用，以解决现有纳米纤维气凝胶吸附材料机械稳定性差、吸附容量低的技术问题。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、本发明公开的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤一：将静电纺丝纳米纤维、纤维素纳米晶、封端型异氰酸酯和水混合均质，制得均匀的分散液；
5、步骤二：将上述分散液依次进行冷冻定型、冷冻干燥和热交联处理得到交联后的产物静电纺丝纳米纤维-纤维素纳米晶复合气凝胶；
6、步骤三：在上述静电纺丝纳米纤维-纤维素纳米晶复合气凝胶表面覆载的聚合物纳米颗粒，得到三维纳米纤维复合气凝胶。
7、优选地，步骤一中所述的静电纺丝纳米纤维由聚丙烯腈、尼龙、醋酸纤维素和聚乙烯亚胺中的一种或几种混配制备。
8、进一步优选地，步骤一中所述的静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶的质量比为1：0.25～0.67；步骤一中所述的静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶的总质量占分散液的0.6～2.4wt％。
9、进一步优选地，步骤一中所述的封端型异氰酸酯的添加量占静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶总质量的10～30％。
10、进一步优选地，步骤一中，均质速度为8000～15000rpm，均质时间为5～20min。
11、优选地，步骤二中，冷冻定型温度为-80～-40℃，冷冻定型时间为30～60min；冷冻干燥温度为-80～-60℃，冷冻干燥时间为20～30h；热交联处理的温度为120～130℃，热交联处理的时间为1～2h。
12、进一步优选地，步骤二中所述的分散液需先将其分装至模具中，再进行后续的冷冻定型、冷冻干燥和热处理。
13、优选地，步骤三中，覆载的纳米颗粒包括聚苯胺、聚吡咯中的至少一种。
14、本发明公开了一种基于上述任意一项所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法制得的三维纳米纤维复合气凝胶。
15、本发明公开了一种三维纳米纤维复合气凝胶作为有机染料吸附剂的应用。
16、本发明公开了一种三维纳米纤维复合气凝胶作为阴离子和阳离子有机染料吸附剂的应用。
17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18、本发明公开的三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，以静电纺丝纳米纤维为骨架，纤维素纳米晶为增强相，封端型异氰酸酯为化学交联剂，制备结构稳定的纳米纤维复合气凝胶，然后在上述气凝胶的纤维表面覆载聚合物纳米颗粒。本发明提供的三维纳米纤维复合气凝胶，制备工艺简单，操作性强，无二次污染产生，属于环境友好型材料，适合工业化生产和应用。与传统气凝胶相比，本发明提出的三维纳米纤维复合气凝胶显示出更好的柔韧性和良好的机械稳定性。优势主要体现在：
19、1、静电纺丝纳米纤维具有柔韧性强、均一性好、高比表面积和优异的传质性能；
20、2、纤维素纳米晶作为一种天然的纳米级棒状纤维素材料，具有高结晶度和高强度，是一种绿色的增强相，可改善复合材料的机械性能；
21、3、纳米纤维和纤维素纳米晶表面均具有丰富的化学基团，实验数据表明，两者无规则穿插在一起，构成具有互相连通的分级多孔三维网络结构，，作为吸附剂有利于提高吸附效率，通过将静电纺纳米纤维和纤维素纳米晶结合，可使气凝胶内部的孔道结构更加稳健，实验表明，由静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶组成的三维纳米纤维复合气凝胶，表现出更大的比表面积和总孔体积，提升了复合气凝胶的吸附容量；
22、4、封端型异氰酸酯在加热条件下解封，产生具有活性的-nco基团，可与纤维素纳米晶上的羟基发生化学交联，使纤维间产生牢固黏连；
23、5、将聚合物纳米颗粒覆载在气凝胶纤维表面，可进一步改善其吸附性能、提升吸附容量。
24、本发明方法制得的三维纳米纤维复合气凝胶，经实验数据证明，其表现出更小的形变，更好的机械稳定性，有效地解决了现有技术中纳米纤维气凝胶机械稳定性差的问题。
25、由于本发明使用的静电纺纳米纤维和纤维素纳米晶表面均具有丰富的化学基团，作为吸附剂有利于提高吸附效率；将聚合物纳米颗粒覆载在气凝胶纤维表面，可进一步改善其吸附性能、提升吸附容量。因此本发明制备的三维纳米纤维复合气凝胶利用静电纺丝纳米纤维、纤维素纳米晶和聚吡咯的协同作用能够同时、高效地吸附去除阴离子和阳离子染料，经实验证明，本申请的复合气凝胶对酸性橙7、酸性红14和罗丹明b染料的综合吸附效果较优；对阴离子和阳离子染料的吸附效果显著提升。
1.一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的静电纺丝纳米纤维由聚丙烯腈、尼龙、醋酸纤维素和聚乙烯亚胺中的一种或几种混配制备。
3.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，封端型异氰酸酯的添加量占静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶总质量的10％～30％。
4.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述的静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶的质量比为1：0.25～0.67；制得的分散液中，静电纺丝纳米纤维和纤维素纳米晶的总质量占分散液的0.6％～2.4％。
5.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤一中，均质速度为8000～15000rpm，均质时间为5～20min。
6.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤二中，冷冻定型温度为-80～-40℃，冷冻定型时间为30～60min；冷冻干燥温度为-80～-60℃，冷冻干燥时间为20～30h；热交联处理温度为120～130℃，热交联处理时间为1～2h。
7.根据权利要求1所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤三中，覆载的纳米颗粒采用聚苯胺和聚吡咯中的至少一种。
8.采用权利要求1～7中任意一项所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶的制备方法制得的三维纳米纤维复合气凝胶。
9.权利要求8所述的一种三维纳米纤维复合气凝胶作为有机染料吸附剂的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述有机染料包括阴离子染料和阳离子染料。
