CN106633195B - 一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法。该复合材料包括如下组分：纳米纤维素、黏土、助剂和水。所述制备方法为采用纳米纤维素A剥离黏土，将得到的黏土剥离液与纳米纤维素B混合搅拌，经干燥处理后得到纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。本发明所制备的聚合物透明纳米复合材料在具有优异阻燃性、高强度、高模量、高气液阻隔性的同时，还赋予了质轻、环保、透光率高等特性。经测试，所制备的聚合物透明纳米复合材料厚度为77~83µm，750nm波长下透光率达到80%以上，有望取代部分传统透明材料，应用于产品包装、航空航天、汽车工业、军工产品、电子电器等领域。

Description

一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物透明材料领域，具体涉及一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法。
背景技术
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料具有优异的物理力学性能、耐热性和气体液体阻隔性能、各向异性等，相较于常规聚合物复合材料轻得多的质量和成本低廉等优点，使其具有极其广阔的应用前景。但在现阶段聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究中，由于工艺和条件的不成熟，并不能在保持其优良特性的情况下使其透明化，极大限制了其在透明材料领域的应用。
中国专利公开号CN 1569953A公开了一种耐热性高、透明度好、不易变黄的聚合物/蒙脱土纳米复合材料及其制备方法，通过两次插层，制得新型活性有机蒙脱土，再与聚甲基丙烯酸甲酯混合制备复合材料，但该种复合材料中蒙脱土含量只有0.2-0.8%，树脂含量过高，因树脂不易分解，污染环境，并不符合当今绿色环保的理念。
聚合物/黏土复合材料中黏土的剥离程度越高，分散性越好，越有利于形成网络，从而进一步增强其光泽度和透明度。Akira Isogai等人制备了一种超强、高阻气性的纳米纤维素/瓷土层状复合材料，通过瓷土、纳米纤维素的共混制备，制备过程虽然对瓷土进行过机械处理，但由于处理工艺的限制，并没有得到完全剥离的瓷土片层结构，瓷土仍保持着层状的骨架结构，因此所制备的复合材料的透明性受到了限制。（CN Wu，T Saito，SFujisawa，H Fukuzumi，A Isogai，et all. Ultrastrong and High Gas-BarrierNanocellulose/Clay-Layered Composites, 《Biomacromolecules》, 2012, 13(6):1927-32)。
因此，研发出一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法，用于解决现有技术中，聚合物/黏土复合材料制备技术方案，存在着原料不环保、生产操作繁琐、黏土剥离程度低、复合材料透明度低以及综合成本高等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法，用于克服现有技术存在的不足，制备一种绿色、无毒、低廉、可再生、易降解的聚合物透明纳米复合材料。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案。
一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：将黏土、纳米纤维素A和水混合，搅拌均匀后机械处理、离心处理，得到黏土剥离液；
步骤二：将黏土剥离液与纳米纤维素B、助剂混合，机械搅拌后，经干燥处理，得到所述纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。
进一步优化的，步骤一中所述黏土为高岭土、蒙脱土和伊利石中的一种或多种。
进一步优化的，步骤一中所述纳米纤维素A为微纤化纤维素、微晶化纤维素和细菌纤维素中的一种。
进一步优化的，步骤一中，以重量份数计，所述黏土为90-95份，纳米纤维素A为5-10份；所述黏土、纳米纤维素A和水的混合液浓度为1-10mg/mL。
进一步优化的，步骤一中所述机械处理包括超声波细胞粉碎机处理、高压均质机处理或高速分散均匀机处理，所述机械处理程度为：处理后单片层黏土的得率占黏土总量的20-50%。
进一步优化的，步骤一中，所述离心处理的速度为4000—6000r/min，离心处理时间为20-40min；所述黏土剥离液的浓度为0.2-5mg/mL。
进一步优化的，步骤二中所述纳米纤维素B为微纤化纤维素、微晶化纤维素和细菌纤维素中的一种。
进一步优化的，步骤二中所述助剂为树脂、匀涂剂和表面活性剂中的一种或多种。
进一步优化的，步骤二中，以重量份数计，所述纳米纤维素B为50-95份，黏土剥离液5-50份，助剂0-10份，所述黏土剥离液、纳米纤维素B和助剂的混合液浓度为5-10mg/mL。
进一步优化的，步骤二中所述搅拌的速率为2000-20000r/min，搅拌的时间为30-60min。
进一步优化的，步骤二中所述干燥为恒温恒湿干燥，干燥的温度为30-70℃，湿度为30-70%RH。
由上述任一项所述制备方法制得的纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。
综上所述，本发明提供了一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法。所述纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料包括如下组分：纳米纤维素、黏土、助剂和水。所述制备方法为采用纳米纤维素A剥离黏土，将得到的黏土剥离液与纳米纤维素混合搅拌，干燥后得到所述纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。本发明所制备的聚合物透明纳米复合材料在具有优异阻燃性、高强度、高模量、高气液阻隔性的同时，还赋予了质轻、环保、透光率高等特性。经测试，所制备的透明纳米复合材料厚度为77~83µm，750nm波长下透光率达到80%以上，有望取代部分传统透明材料，解决了现有技术方案原料不绿色环保、生产操作繁琐、黏土剥离程度低、复合材料透明度低以及综合成本高等缺陷。
本发明技术方案使用来源丰富、可生物降解、机械性能优异、热稳定性高的纳米纤维素，利用其两亲特性，在机械作用下剥离黏土，利用一维纳米纤维素和二维片状纳米黏土独特的物理化学特性，制备出一种绿色、无毒、低廉、可再生、易降解的透明纳米复合材料，研究体系潜在适用范围广泛，能适用于具有类似纳米纤维素材料结构特点或物化特性的其他生物基材料，具有巨大的发展潜力和应用前景，有望取代部分传统透明材料，应用于产品包装、航空航天、汽车工业、军工产品、电子电器等领域。
附图说明
图1为本发明纳米纤维素剥离二维黏土的结构示意图。
具体实施方式
为了更详细说明本发明，下面结合实例对本发明提供的一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法，进行具体地描述。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法，用于解决现有技术中，聚合物/黏土复合材料制备方法得到的产品，存在着原料不绿色环保、生产操作繁琐、黏土剥离程度低、复合材料透明度低以及综合成本高等缺陷。
所述制备方法包括如下步骤：
步骤一：将黏土90-95份、纳米纤维素A 5-10份和水混合，得到浓度为1-10mg/mL的混合液，搅拌均匀后进行机械处理，处理后单片层黏土的得率占黏土总量的20-50%，在4000—6000r/min转速下离心处理20-40min，得到浓度为0.2-5mg/mL的黏土剥离液；
步骤二：将纳米纤维素B 50-95份，黏土剥离液5-50份和助剂0-10份混合，得到浓度为5-10mg/mL的混合液，在2000-20000r/min下搅拌处理30-60min，在温度为30-70℃，湿度为30-70%RH环境下经干燥处理得到纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。
本发明纳米纤维素A剥离二维黏土后的结构示意图如图1所示，由图1可知未处理前黏土为层状结构，剥离处理后，黏土被剥离为单片结构，加入纳米纤维素作为分散剂，利用纳米纤维素独特的物理化学特质，使得单片黏土保持分离状态。
实施例1
微纤化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料
步骤一：将蒙脱土90份、微纤化纤维素A 10份和水混合，得到浓度为5.5mg/mL的混合液，搅拌均匀后，经过超声波细胞粉碎机处理，处理后单片层蒙脱土的得率为40%，在5000r/min转速下离心处理30min，得到浓度为2.2mg/mL的蒙脱土剥离液；
步骤二：将微纤化纤维素90份，蒙脱土剥离液10份混合，得到浓度为7.5mg/mL的混合液，在10000r/min下搅拌处理45min，在温度为45℃，湿度为45%RH环境下经干燥处理得到微纤化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料。
本发明所制得的微纤化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料平均厚度为80µm，且在750nm波长下测得的透光率为93%。
实施例2
细菌纤维素/高岭土透明纳米复合材料
步骤一：将高岭土92份、微纤化纤维素8份和水混合，得到浓度为1.0mg/mL的混合液，搅拌均匀后，经过超声波细胞粉碎机处理，处理后单片层高岭土的得率为50%，在6000r/min转速下离心处理20min，得到浓度为0.5mg/mL的高岭土剥离液；
步骤二：将细菌纤维素60份，高岭土剥离液35份，甘油5份混合，得到浓度为10mg/mL的混合液，在20000r/min下搅拌处理30min，在温度为70℃，湿度为70%RH环境下经干燥处理得到细菌纤维素/高岭土透明纳米复合材料。
本发明所制得的细菌纤维素/高岭土透明纳米复合材料平均厚度为83µm，且在750nm波长下测得的透光率为85%。
实施例3
微纤化纤维素/高岭土/伊利石透明纳米复合材料
步骤一：将高岭土45份，伊利石45份，微晶化纤维素10份和水混合，得到浓度为10mg/mL的混合液，搅拌均匀后，经过高压均质机处理，处理后单片层高岭土、伊利石的得率为30%，在5000r/min转速下离心处理30min，得到浓度为3 mg/mL的高岭土/伊利石剥离液；
步骤二：将微纤化纤维素为50份，高岭土/伊利石剥离液50份混合，得到浓度为8mg/mL的混合液，在2000r/min下搅拌处理60min，在温度为40℃，湿度为60%RH环境下经干燥处理后得到微纤化纤维素/高岭土/伊利石透明纳米复合材料。
本发明所制得的微纤化纤维素/高岭土/伊利石透明纳米复合材料平均厚度为82µm，且在750nm波长下测得的透光率为80%。
实施例4
微晶化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料
步骤一：将蒙脱土95份、细菌纤维素5份和水混合，得到浓度为10mg/mL的混合液，搅拌均匀后，经过高速分散均匀机处理，处理后单片层蒙脱土的得率为20%，在4000r/min转速下离心处理40min，得到浓度为4.9mg/mL的蒙脱土剥离液；
步骤二：将微晶化纤维素为95份，蒙脱土剥离液5份混合，得到浓度为10mg/mL的混合液，在20000r/min下搅拌处理60min，在温度为30℃，湿度为70%RH环境下经干燥处理得到微晶化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料。
本发明所制得的微晶化纤维素/蒙脱土透明纳米复合材料平均厚度为78µm，且在750nm波长下测得的透光率为91%。
实施例5
微晶化纤维素/高岭土/蒙脱土透明纳米复合材料
步骤一：将高岭土60份，蒙脱土33份，微晶化纤维素7份和水混合，得到浓度为7.5mg/mL的混合液，搅拌均匀后，经过高压均质机处理，处理后单片层高岭土、蒙脱土的得率为40%，在5000r/min转速下离心处理30min，得到浓度为3.0mg/mL的高岭土/蒙脱土剥离液；
步骤二：将微晶化纤维素80份，高岭石/蒙脱土剥离液10份，氨水3份，聚乙烯醇7份混合，得到浓度为5mg/mL的混合液，在10000r/min下搅拌处理50min，在温度为55℃，湿度为30%RH环境下经干燥处理后得到微晶化纤维素/高岭土/蒙脱土透明纳米复合材料。
本发明所制得的微晶化纤维素/高岭土/蒙脱土透明纳米复合材料平均厚度为77µm，且在750nm波长下测得的透光率为90%。
综上所述，本发明提供了一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料及其制备方法，所述聚合物透明纳米复合材料包括如下组分：纳米纤维素，黏土，助剂和水，所述制备方法采用纳米纤维素在液相机械处理条件下剥离黏土，经离心后获得充分分散、均匀稳定的单片黏土剥离液，再与纳米纤维素混合机械搅拌，经干燥得到纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料材料。本发明所制备的聚合物透明纳米复合材料在具有优异阻燃性、高强度、高模量、高气液阻隔性的同时，赋予了其质轻、环保、透光率高等特性。经测试，所制备的透明纳米复合材料在77~83µm厚度，750nm波长下透光率达到80%以上，有望取代部分传统透明材料，解决了原料不绿色环保、生产操作繁琐、黏土剥离程度低、复合材料透明度低以及综合成本高等缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改性和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤一：将黏土、纳米纤维素A和水混合，搅拌均匀后机械处理、离心处理得到黏土剥离液，以重量份数计，所述黏土为90-95份，纳米纤维素A为5-10份；所述黏土、纳米纤维素A和水的混合液浓度为1-10mg/mL；所述离心处理的速度为4000—6000r/min，离心处理时间为20-40min；所述黏土剥离液的浓度为0.2-5mg/mL；所述机械处理包括超声波细胞粉碎机处理、高压均质机处理或高速分散均匀机处理，所述机械处理程度为：处理后单片层黏土的得率占黏土总量的20-50%；
步骤二：将黏土剥离液与纳米纤维素B、助剂混合，机械搅拌后，经干燥处理得到所述纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料，以重量份数计，所述纳米纤维素B为50-95份，黏土剥离液5-50份，助剂0-10份；所述黏土剥离液、纳米纤维素B、助剂的混合液浓度为5-10mg/mL；所述搅拌的速率为2000-20000r/min，搅拌的时间为30-60min；所述干燥为恒温恒湿干燥，干燥的温度为30-70℃，湿度为30-70%RH。
2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述黏土为高岭土、蒙脱土和伊利石中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述纳米纤维素A为微纤化纤维素、微晶化纤维素和细菌纤维素中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述纳米纤维素B为微纤化纤维素、微晶化纤维素和细菌纤维素中的一种；所述助剂为树脂、匀涂剂和表面活性剂中的一种或多种。
5.由权利要求1-4任一项所述的制备方法制得的一种纳米纤维素/黏土透明纳米复合材料。
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