一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于聚合物透明材料領域，具體涉及一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法。

背景技術：

聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料具有優異的物理力學性能、耐熱性和氣體液體阻隔性能、各向異性等，相較于常規聚合物復合材料輕得多的質量和成本低廉等優點，使其具有極其廣闊的應用前景。但在現階段聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料研究中，由于工藝和條件的不成熟，并不能在保持其優良特性的情況下使其透明化，極大限制了其在透明材料領域的應用。

中國專利公開號CN 1569953A公開了一種耐熱性高、透明度好、不易變黃的聚合物/蒙脫土納米復合材料及其制備方法，通過兩次插層，制得新型活性有機蒙脫土，再與聚甲基丙烯酸甲酯混合制備復合材料，但該種復合材料中蒙脫土含量只有0.2-0.8%，樹脂含量過高，因樹脂不易分解，污染環境，并不符合當今綠色環保的理念。

聚合物/黏土復合材料中黏土的剝離程度越高，分散性越好，越有利于形成網絡，從而進一步增強其光澤度和透明度。Akira Isogai等人制備了一種超強、高阻氣性的納米纖維素/瓷土層狀復合材料，通過瓷土、納米纖維素的共混制備，制備過程雖然對瓷土進行過機械處理，但由于處理工藝的限制，并沒有得到完全剝離的瓷土片層結構，瓷土仍保持著層狀的骨架結構，因此所制備的復合材料的透明性受到了限制。（CN Wu，T Saito，S Fujisawa，H Fukuzumi，A Isogai，et all. Ultrastrong and High Gas-Barrier Nanocellulose/Clay-Layered Composites, 《Biomacromolecules》, 2012, 13(6):1927-32)。

因此，研發出一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法，用于解決現有技術中，聚合物/黏土復合材料制備技術方案，存在著原料不環保、生產操作繁瑣、黏土剝離程度低、復合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷，成為本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法，用于克服現有技術存在的不足，制備一種綠色、無毒、低廉、可再生、易降解的聚合物透明納米復合材料。

為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案。

一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料的制備方法，具體步驟如下：

步驟一：將黏土、納米纖維素A和水混合，攪拌均勻后機械處理、離心處理，得到黏土剝離液；

步驟二：將黏土剝離液與納米纖維素B、助劑混合，機械攪拌后，經干燥處理，得到所述納米纖維素/黏土透明納米復合材料。

進一步優化的，步驟一中所述黏土為高嶺土、蒙脫土和伊利石中的一種或多種。

進一步優化的，步驟一中所述納米纖維素A為微纖化纖維素、微晶化纖維素和細菌纖維素中的一種。

進一步優化的，步驟一中，以重量份數計，所述黏土為90-95份，納米纖維素A為5-10份；所述黏土、納米纖維素A和水的混合液濃度為1-10mg/mL。

進一步優化的，步驟一中所述機械處理包括超聲波細胞粉碎機處理、高壓均質機處理或高速分散均勻機處理，所述機械處理程度為：處理后單片層黏土的得率占黏土總量的20-50%。

進一步優化的，步驟一中，所述離心處理的速度為4000—6000r/min，離心處理時間為20-40min；所述黏土剝離液的濃度為0.2-5mg/mL。

進一步優化的，步驟二中所述納米纖維素B為微纖化纖維素、微晶化纖維素和細菌纖維素中的一種。

進一步優化的，步驟二中所述助劑為樹脂、勻涂劑和表面活性劑中的一種或多種。

進一步優化的，步驟二中，以重量份數計，所述納米纖維素B為50-95份，黏土剝離液5-50份，助劑0-10份，所述黏土剝離液、納米纖維素B和助劑的混合液濃度為5-10mg/mL。

進一步優化的，步驟二中所述攪拌的速率為2000-20000r/min，攪拌的時間為30-60min。

進一步優化的，步驟二中所述干燥為恒溫恒濕干燥，干燥的溫度為30-70℃，濕度為30-70%RH。

由上述任一項所述制備方法制得的納米纖維素/黏土透明納米復合材料。

綜上所述，本發明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法。所述納米纖維素/黏土透明納米復合材料包括如下組分：納米纖維素、黏土、助劑和水。所述制備方法為采用納米纖維素A剝離黏土，將得到的黏土剝離液與納米纖維素混合攪拌，干燥后得到所述納米纖維素/黏土透明納米復合材料。本發明所制備的聚合物透明納米復合材料在具有優異阻燃性、高強度、高模量、高氣液阻隔性的同時，還賦予了質輕、環保、透光率高等特性。經測試，所制備的透明納米復合材料厚度為77~83μm，750nm波長下透光率達到80%以上，有望取代部分傳統透明材料，解決了現有技術方案原料不綠色環保、生產操作繁瑣、黏土剝離程度低、復合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

本發明技術方案使用來源豐富、可生物降解、機械性能優異、熱穩定性高的納米纖維素，利用其兩親特性，在機械作用下剝離黏土，利用一維納米纖維素和二維片狀納米黏土獨特的物理化學特性，制備出一種綠色、無毒、低廉、可再生、易降解的透明納米復合材料，研究體系潛在適用范圍廣泛，能適用于具有類似納米纖維素材料結構特點或物化特性的其他生物基材料，具有巨大的發展潛力和應用前景，有望取代部分傳統透明材料，應用于產品包裝、航空航天、汽車工業、軍工產品、電子電器等領域。

附圖說明

圖1為本發明納米纖維素剝離二維黏土的結構示意圖。

具體實施方式

為了更詳細說明本發明，下面結合實例對本發明提供的一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法，進行具體地描述。

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法，用于解決現有技術中，聚合物/黏土復合材料制備方法得到的產品，存在著原料不綠色環保、生產操作繁瑣、黏土剝離程度低、復合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

所述制備方法包括如下步驟：

步驟一：將黏土90-95份、納米纖維素A 5-10份和水混合，得到濃度為1-10mg/mL的混合液，攪拌均勻后進行機械處理，處理后單片層黏土的得率占黏土總量的20-50%，在4000—6000r/min轉速下離心處理20-40min，得到濃度為0.2-5mg/mL的黏土剝離液；

步驟二：將納米纖維素B 50-95份，黏土剝離液5-50份和助劑0-10份混合，得到濃度為5-10mg/mL的混合液，在2000-20000r/min下攪拌處理30-60min，在溫度為30-70℃，濕度為30-70%RH環境下經干燥處理得到納米纖維素/黏土透明納米復合材料。

本發明納米纖維素A剝離二維黏土后的結構示意圖如圖1所示，由圖1可知未處理前黏土為層狀結構，剝離處理后，黏土被剝離為單片結構，加入納米纖維素作為分散劑，利用納米纖維素獨特的物理化學特質，使得單片黏土保持分離狀態。

實施例1

微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料

步驟一：將蒙脫土90份、微纖化纖維素A 10份和水混合，得到濃度為5.5mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經過超聲波細胞粉碎機處理，處理后單片層蒙脫土的得率為40%，在5000r/min轉速下離心處理30min，得到濃度為2.2mg/mL的蒙脫土剝離液；

步驟二：將微纖化纖維素90份，蒙脫土剝離液10份混合，得到濃度為7.5mg/mL的混合液，在10000r/min下攪拌處理45min，在溫度為45℃，濕度為45%RH環境下經干燥處理得到微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料。

本發明所制得的微纖化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料平均厚度為80μm，且在750nm波長下測得的透光率為93%。

實施例2

細菌纖維素/高嶺土透明納米復合材料

步驟一：將高嶺土92份、微纖化纖維素8份和水混合，得到濃度為1.0mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經過超聲波細胞粉碎機處理，處理后單片層高嶺土的得率為50%，在6000r/min轉速下離心處理20min，得到濃度為0.5mg/mL的高嶺土剝離液；

步驟二：將細菌纖維素60份，高嶺土剝離液35份，甘油5份混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，在20000r/min下攪拌處理30min，在溫度為70℃，濕度為70%RH環境下經干燥處理得到細菌纖維素/高嶺土透明納米復合材料。

本發明所制得的細菌纖維素/高嶺土透明納米復合材料平均厚度為83μm，且在750nm波長下測得的透光率為85%。

實施例3

微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復合材料

步驟一：將高嶺土45份，伊利石45份，微晶化纖維素10份和水混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經過高壓均質機處理，處理后單片層高嶺土、伊利石的得率為30%，在5000r/min轉速下離心處理30min，得到濃度為3 mg/mL的高嶺土/伊利石剝離液；

步驟二：將微纖化纖維素為50份，高嶺土/伊利石剝離液50份混合，得到濃度為8mg/mL的混合液，在2000r/min下攪拌處理60min，在溫度為40℃，濕度為60%RH環境下經干燥處理后得到微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復合材料。

本發明所制得的微纖化纖維素/高嶺土/伊利石透明納米復合材料平均厚度為82μm，且在750nm波長下測得的透光率為80%。

實施例4

微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料

步驟一：將蒙脫土95份、細菌纖維素5份和水混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經過高速分散均勻機處理，處理后單片層蒙脫土的得率為20%，在4000r/min轉速下離心處理40min，得到濃度為4.9mg/mL的蒙脫土剝離液；

步驟二：將微晶化纖維素為95份，蒙脫土剝離液5份混合，得到濃度為10mg/mL的混合液，在20000r/min下攪拌處理60min，在溫度為30℃，濕度為70%RH環境下經干燥處理得到微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料。

本發明所制得的微晶化纖維素/蒙脫土透明納米復合材料平均厚度為78μm，且在750nm波長下測得的透光率為91%。

實施例5

微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復合材料

步驟一：將高嶺土60份，蒙脫土33份，微晶化纖維素7份和水混合，得到濃度為7.5mg/mL的混合液，攪拌均勻后，經過高壓均質機處理，處理后單片層高嶺土、蒙脫土的得率為40%，在5000r/min轉速下離心處理30min，得到濃度為3.0mg/mL的高嶺土/蒙脫土剝離液；

步驟二：將微晶化纖維素80份，高嶺石/蒙脫土剝離液10份，氨水3份，聚乙烯醇7份混合，得到濃度為5mg/mL的混合液，在10000r/min下攪拌處理50min，在溫度為55℃，濕度為30%RH環境下經干燥處理后得到微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復合材料。

本發明所制得的微晶化纖維素/高嶺土/蒙脫土透明納米復合材料平均厚度為77μm，且在750nm波長下測得的透光率為90%。

綜上所述，本發明提供了一種納米纖維素/黏土透明納米復合材料及其制備方法，所述聚合物透明納米復合材料包括如下組分：納米纖維素，黏土，助劑和水，所述制備方法采用納米纖維素在液相機械處理條件下剝離黏土，經離心后獲得充分分散、均勻穩定的單片黏土剝離液，再與納米纖維素混合機械攪拌，經干燥得到納米纖維素/黏土透明納米復合材料材料。本發明所制備的聚合物透明納米復合材料在具有優異阻燃性、高強度、高模量、高氣液阻隔性的同時，賦予了其質輕、環保、透光率高等特性。經測試，所制備的透明納米復合材料在77~83μm厚度，750nm波長下透光率達到80%以上，有望取代部分傳統透明材料，解決了原料不綠色環保、生產操作繁瑣、黏土剝離程度低、復合材料透明度低以及綜合成本高等缺陷。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改性和潤飾也應視為本發明的保護范圍。