Способ получения аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы для звукоизоляционного материала
METHOD OF PRODUCING AEROGEL BASED ON BACTERIAL CELLULOSE FOR SOUND-INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к области звукоизоляции, в частности к области создания звукоизоляционных материалов для снижения шума внутри замкнутых объемов, и может быть использовано в автомобилестроении, авиастроении, а также в аппаратуре различного назначения.
Известно множество аэрогелевых композиций, которые могут быть неорганическими или органическими. Неорганические аэрогели могут быть основаны на алкоголятах металлов и содержат такие материалы, как диоксид кремния (RU 2163223, МПК C01B 33/157, C01B 33/16, опубл. 20.02.2001), карбид кремния (RU 2310702, МПК D04H 13/00, C04B 38/00, опубл. 20.11.2007) и оксид алюминия (RU 2092437, МПК C01F 7/02, опубл. 10.10.1997). Органическими аэрогелями могут быть углеродные аэрогели (RU 2577273, МПК C01B 31/02, B01J 13/00, B82B 1/00, опубл. 10.03.2016) и полимерные аэрогели (RU 2310702, МПК C08J 9/35, C08L 63/00, C08K 7/26, опубл. 20.11.2011).
Аэрогель – это легкий высокопористый материал, обладающий рядом исключительных и уникальных физических свойств, которые привлекают внимание исследователей, работающих в различных областях науки и техники. По своим характеристикам, аэрогель – это сверхпрочный, ультралегкий материал, проявляющий поразительные тепло- и звукоизоляционные свойства, а также значительными прочностными характеристиками.
Изоляционные материалы известны очень давно и используются для решения ряда физических проблем. Хорошо известно использование в качестве изоляторов жестких полимерных пенопластовых и стекловолокнистых звукоизоляционных теплоизоляционных панелей, минеральной ваты, применяемых для звукоизоляции зданий и машин (RU 2170310, МПК E04B 1/82, опубл. 10.07.2001). Также известен виброшумопоглощающий звукоизолирующий материал (RU 2340640, МПК C08L 95/00, C08K 3/26, B60R 13/08, опубл. 10.12.2008).
Аэрогели на основе бактериальной целлюлозы могут быть получены в виде гранул, шариков, или листов, что позволит создавать разные композитные материалы, в том числе и многослойные, включающие в себя аэрогель из бактериальной целлюлозы.
Отсутствие широкого использования аэрогелей в качестве звукоизолирующего материала обусловлено высокой стоимостью получения неорганических аэрогелей. Это обуславливает также и крайне незначительное число известных решений, которые предлагают использовать аэрогели в качестве звукоизолирующего материала. В настоящее время широко используют звукоизолирующие материалы с волокнистой или ячеистой структурой на основе минеральной ваты, стекловолокна полиэтилена или поролона.
Технический результат заключается в повышении коэффициента звукопоглощения и теплоизоляционной способности звукоизоляционного материала на основе органического является аэрогеля из бактериальной целлюлозы.
Сущность изобретения заключается в том, что способ получения аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы для звукоизоляционного материала включает культивирование штамма Gluconacetobacter sucrofermentans ВКПМ В-11267 в статических или динамических условиях в течение 3-5 суток при температуре 28-30 °C с получением гель-пленки бактериальной целлюлозы, ее очистку и измельчение с добавлением дистиллированной воды до получения гидрогеля, который затем замораживают при температуре минус 50 °C с последующим лиофильным высушиванием.
Штамм бактерии Gluconacetobacter sucrofermentans Н-110 депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов (ВКПМ) ФГУП ГосНИИгенетика  под регистрационным номером ВКПМ: В-11267.
Штамм Gluconacetobacter sucrofermentans H-110 описан в патенте RU 2523606, МПК С12N 1/20, C12P 19/04, C12R 1/01, опубл. 20.07.2014.
В табл. 1 представлена сравнительная характеристика свойств аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы с некоторыми промышленными аналогами. На фиг. 1-2 представлено изображение полученного образца аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы; на фиг. 2 показана микрофотографии аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы, полученной в статических (А) и динамических (Б) условиях.
3
Способ осуществляется следующим образом. Бактериальную целлюлозу получают путем культивирования штамма бактерий Gluconacetobacter sucrofermentans H-110 на средах, состоящих из отходов пищевых производств целлюлозы (например, описанных в патентах RU 2536973, МПК C12N 1/20, опубл. 27.12.2014 и RU 2536257, МПК C12N 1/20, опубл. 20.12.2014). Культивирование осуществляют в стационарных или динамических условиях при 28 °С в течение 3-5 сут. Полученную гель-пленку бактериальной целлюлозы очищают от клеток продуцента путем последовательной обработки 0,5 %-ным раствором гидроксида натрия и 0,5 %-ным раствором уксусной кислоты с промывкой на каждом этапе обработки гель-пленки бактериальной целлюлозы дистиллированной водой до нейтрального значения pH. Гель-пленку бактериальной целлюлозы массой 50 г, полученную в статических условиях культивирования, нарезают на фрагменты с размерами 1×1 см. Полученные фрагменты, а также хлопья бактериальной целлюлозы, полученной в динамических условиях культивирования, смешивают с 50 мл дистиллированной воды с получением гидромодуля 1:1. Для получения гидрогеля 100 г полученной смеси измельчают при помощи лабораторного гомогенизатора MLW ER-10 с использованием насадки ножевого типа в течение 10 мин при 8 000 об/мин. Полученный после такой обработки гидрогель бактериальной целлюлозы обладает однородной консистенцией и может быть использован для последующего получения аэрогеля из бактериальной целлюлозы с однородной структурой. Полученный гидрогель бактериальной целлюлозы замораживают при температуре минус 50 °С в форме, которую необходимо придать аэрогелю на основе бактериальной целлюлозы. После выдерживания бактериальной целлюлозы в замороженном состоянии в течение 24 ч проводят лиофильное высушивание образца при давлении 0,040 мБар в течение 24-72 ч, в зависимости от толщины образца (фиг. 1). Лиофильное высушивание обеспечивает сохранение открытой ячеистой структуры в получаемом материале. Плотность аэрогеля на основе бактериальной целлюлозы возможно изменять путем изменения количества бактериальной целлюлозы, используемой для приготовления единицы объема гидрогеля. Полученный аэрогель обладает открытой ячеистой структурой, которая и обеспечивает высокие звукоизолирующие свойства (фиг. 2, табл. 1). Аэрогели на основе бактериальной целлюлозы могут быть получены с плотностью от 7 до 40 кг/м. Аэрогель на основе бактериальной целлюлозы может выступать одновременно не только как превосходный звукоизолирующий материал, но и как материал с высокой теплоизоляционной способностью, поскольку он обладает низкой теплопроводностью, составляющей не более 0,025 Вт/ (м·°C).
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить коэффициент звукопоглощения и теплоизоляционную способность звукопоглощающего материала на основе органического аэрогеля из бактериальной целлюлозы.
Таблица 1
Материал
Толщина, мм
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Нормальный коэффициент звукопоглощения
1000 Гц
2000 Гц
3000 Гц
4000 Гц
Аэрогель на основе бактериальной целлюлозы
34
11,39
0,65
0,92
0,85
0,93
Кнауф акустика 8/18-каркас минвата
50
54
0,85
0,55
0,55
0,50
Акустический поролон волна
30
25
0,65
0,70
0,67
0,65
Строительный войлок
25
160
0,63
0,57
0,55
0,52