CN103387686A

CN103387686A - 利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维石墨烯复合膜的制备方法

Info

Publication number: CN103387686A
Application number: CN2013103592872A
Authority: CN
Inventors: 李大纲; 康美云; 李阳; 胡杨阳; 张然然; 游志培; 邵瑜
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Shandong Lvsen Wood-Plastic Composite Co., Ltd.
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: CN103387686B

Abstract

本发明是利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，方法包含如下步骤：（1）利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维；（2）制备氧化石墨烯；（3）制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。本发明实现了包装废弃物再利用的“变废为宝”理念，是一种全新的绿色环保材料；石墨烯的加入赋予了复合材料更多、更优异的功能性，为复合材料的应用提供了更广阔的前景。

Description

利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维石墨烯复合膜的制备方法

技术领域

本发明涉及的是利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，属于石墨烯/微纳米生物质纤维素膜领域。

背景技术

石墨烯是最近几年才发现的碳材料的新成员，其完美的二维结构和许多奇特的性质，引起了科学家的极大兴趣。石墨烯和氧化石墨烯的改性以及各种纳米石墨烯/聚合物复合材料的制备成为当前研究的热点之一。与纯的聚合物相比，石墨烯的加入可赋予复合材料不同的功能性，不但表现出优异的力学和电学性能，且具有优良的加工性能，为复合材料提供了更广阔的应用领域。

石墨烯是sp2杂化的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料，这是目前世界上最薄的即单原子厚度的材料，并且有着许多潜在的应用。石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能：强度达130 GPa，比钢高100倍，是目前强度最高的材料。石墨烯还有超大的比表面积 (2630 m²/g)、室温量子霍尔效应和良好的铁磁性，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度远超过一般导体，达到了光速的1/300。由于石墨烯具有上述优异的性能，使其有望在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。

目前，无论在理论还是实验研究方面，石墨烯均已展示出重大的科学意义和应用价值，且已在生物、电极材料、传感器等方面展现出独特的应用优势。随着对石墨烯研究的不断深入，其内在的一些特殊性能如荧光性能、模板性能等也相继被发现。由于石墨烯具有较大的比表面积、径厚比、热导率和电导率，与传统填料相比，石墨烯增强的复合材料具有更加优异的物理性能。氧化石墨烯巨大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其优异的复合性能，在经过改性和还原后可在聚合物基体中形成纳米级分散，从而使石墨烯在改变聚合物基体的力学、流变学行为、阻隔性能和热稳定性等方面具有更大的潜力。国外已有纳米石墨烯/聚合物复合材料的相关专利报道，应用领域涵盖了能源行业的燃料电池用储氢材料，合成化学工业的微孔催化剂载体，导电塑料，导电涂料以及建筑行业的防火阻燃材料等方面。可见，石墨烯的发现为制备轻质、低价和高性能及多功能的高分子纳米复合材料提供了新的途径和机遇。

生物质纤维素主要是植物的纤维素，如秸秆，草木等，主要成分包括：纤维素、半纤维素、木质素，其中纤维素的含量最多。

纤维素是植物纤维的主要成分，为白色固体物质，是一种多糖类高分子化合物。纤维素是由许多D-葡萄糖基通过1,4-β-苷键连接而成的线状高分子化合物。植物通过光合作用，每年产生亿万吨的纤维素，因此植物纤维素迄今仍然是工业纤维素的唯一来源。纤维素是植物纤维的重要组成部分，决定着天然纤维的物理化学性能，对复合材料的性能起着决定性的影响。

石墨经强氧化剂氧化后制得氧化石墨（GO），再经由超声剥离或热膨胀等手段制备成氧化石墨烯。氧化石墨烯由共价键连接的碳原子组成的二维片层堆叠而成，在基面和边缘带有各种亲水性酸性氧化官能团，如羟基、环氧基、羰基，具有比表面积大、离子交换能力强等特点，这些特点赋予了其良好的复合能力。因此，氧化石墨烯具有亲水性，能够在稀碱水和纯水中迅速分散成单个片层而形成稳定的胶状悬浮液。同时，这些含氧官能团使石墨片层能够和极性小分子或聚合物强烈反应形成氧化石墨烯插层复合材料或氧化石墨烯剥离复合材料。

发明内容

本发明提出的是利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，其目的是将废旧的瓦楞纸板进行一系列化学、物理处理，从中得到形貌尺寸均匀的生物质纳米纤维，并与氧化的石墨烯复合成膜，实现包装废弃物的再利用。

本发明的技术解决方案：利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，包含如下步骤：

（1）利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维：

（2）制备氧化石墨烯:

（3）制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

本发明的优点：由于去除了大部分的木质素和杂质，溶液发生了颜色的变化。经过机械处理后的溶液清澈透明，呈现出淡蓝色。天然石墨在浓硫酸中被高锰酸钾氧化，得到氧化石墨，充分超声分散后制得氧化石墨烯。氧化石墨烯表面和边缘带有各种亲水性氧化官能团，可在溶液状态下与生物质纤维素充分混合。所制得的复合膜平滑、均匀，氧化石墨烯在其中有着较好的分散性。本发明实现了包装废弃物再利用的 “变废为宝”理念，是一种全新的绿色环保材料；石墨烯的加入赋予了复合材料更多、更优异的功能性，为复合材料的应用提供了更广阔的前景。

附图说明

图1 将瓦楞纸制备成为微纳米纤维素纤维的扫描电镜图（放大倍数1000）。

具体实施方式

利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，包含如下步骤：

（1）利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维：

（2）制备氧化石墨烯:

（3）制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

所述的利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维：包括1）称取10g瓦楞纸，用蒸馏水浸泡1 h后用简易的搅拌机打碎并过滤，加入500 ml的蒸馏水；2）将纸浆纤维装入250 ml烧杯中，倒入150 ml质量浓度为2％的氢氧化钠溶液10g，用保鲜膜封住杯口后放入90℃恒温水浴锅中加热2 h，并在杯中放入磁石不断搅拌，2 h后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，以除去棕纤维素中的半纤维素，直到过滤液成中性；3）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75 ℃恒温水浴锅中加热1h。杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分。1 h后向烧杯中继续加入4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，继续在75 ℃水浴锅中恒温加热1 h，如此重复3次，每次一小时，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗进行过滤，并用蒸馏水不断洗涤试样直到过滤液成中性，以去除瓦楞纸中残留的木质素，得到棕纤维素纤维，在温度为75℃的情况下烘干处理三次，每次一小时，用蒸馏水洗涤直至中性；4）称取质量浓度为3 ％的氢氧化钾约15 g，在温度为90℃的情况下，用保鲜膜封住杯口后放入90 ℃恒温水浴锅中加热2h，并在杯中放入磁石不断搅拌，2 h后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，用蒸馏水洗涤直至中性；5）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75 ℃恒温水浴锅中加热1 h。杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分，用蒸馏水洗涤直至中性；6）用量筒量取质量浓度为36％的盐酸10 ml，用保鲜膜封住杯口，放入80 ℃恒温水浴锅中加热2 h，并用磁石进行搅拌，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，直到过滤液成中性；7）将制得样品配置成质量浓度为1%的水悬浊液，然后进行研磨处理：磨盘之间间隙为0.01 mm，研磨次数为15~30次，研磨转速为1500 rpm，然后超声处理40 min，离心处理20 min。

所述的制备氧化石墨烯: 取110 mL 浓硫酸加入洁净的烧杯中, 在磁力搅拌器上搅拌, 加入石墨5 g, 然后缓慢加入15 g高锰酸钾, 半小时加完；持续搅拌反应4 h, 溶液呈紫绿色，缓慢加入220 mL 去离子水, 保持温度100℃ 以下，逐滴缓慢加入质量浓度为30%的过氧化氢直到反应液变成金黄色，反应后的溶液反复抽滤洗涤, 直至滤液中检测无白色沉淀生成, 即无硫酸根离子存在, 温度控制在55 ℃下烘干48~72 h, 制得样品待用；将制得的样品溶于去离子水中, 在超声波振荡器中超声2 h, 得到分散均匀、稳定的氧化石墨烯溶液。

所述的制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜：取300 ml的氧化石墨烯溶液和300 ml纤维素溶液混合，用高速搅拌机在1500~35000 转/分钟的条件下搅拌10~60 min，用真空抽滤机抽滤，制得石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

亚氯酸钠在酸性条件下有漂白作用且与木质素反应产生有机氯化合物。次氯酸盐是一个真正的漂白剂，优先破坏木素的某些发色团。

稀盐酸在较高温度下可使绝大部分的木质素被降解，可使纤维素的平均聚合度下降，反应能力增大。

碱水解对分子间交联木聚糖半纤维素和其他组分的酯键有皂化作用，随着酯键的减少纤维素原料的孔隙率增加，稀氢氧化钠溶液处理原料可以使之胀大，增加内表面及减小聚合度和结晶度，使木质素和糖之间的结合额键分离，分裂木质素结构。碱处理主要是去除半纤维素。

氯化木素只有一部分能溶于氯化时形成的酸性溶液，还有一部分难溶的氯化木素需在碱中溶解。

在进行化学处理时，由于去除了大部分的木质素和杂质，溶液发生了颜色的变化。经过机械处理后的溶液清澈透明，呈现出淡蓝色。

天然石墨在浓硫酸中被高锰酸钾氧化，得到氧化石墨，充分超声分散后制得氧化石墨烯。氧化石墨烯表面和边缘带有各种亲水性氧化官能团，可在溶液状态下与生物质纤维素充分混合。所制得的复合膜平滑、均匀，氧化石墨烯在其中有着较好的分散性。

经过超声、离心处理，瓦楞纸纤维素许多细小的纤维都被分离出来，并具有较高的长径比，纤维间相互交织聚集成网状缠结结构。仍可以看到一些近微米级的纤维存在，许多纤维仍然聚集在纤维素纤维的内部，并未实现纤维素的均匀纳米纤维化。超声处理可以实现纳米尺度纤维的分离，离心后得到更加细化的微纳米纤维，但是所得纤维的均匀化程度并不高，所得纤维中既有直径低于100nm 的精细纤维，也有以簇状形式存在的纤维聚集体，甚至还存有一些未被纤维化的直径在微米级的纤维。

实施例1

微纳米纤维素纤维的制备：（1）称取10 g瓦楞纸，用蒸馏水浸泡1h后用简易的搅拌机打碎并过滤，加入500 ml的蒸馏水；（2）称取2％的氢氧化钠约10 g，在温度为90℃的情况下处理2 h，用蒸馏水洗涤直至中性；（3）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，在温度为75℃的情况下处理三次，每次一小时，用蒸馏水洗涤直至中性；（4）称取3％的氢氧化钾约15 g，在温度为90 ℃的情况下处理2 h，用蒸馏水洗涤直至中性；（5）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，在温度为75 ℃的情况下处理一小时，用蒸馏水洗涤直至中性；（6）用量筒量取浓度为36 ％的盐酸约10 ml，在温度为80℃的情况下处理2 h，用蒸馏水洗涤直至中性；（7）在研磨机上研磨30 min约15次，然后超声40 min,离心20 min；（8）图1 即为将瓦楞纸制备成为微纳米纤维素纤维扫描电镜图（放大倍数1000）。

实施例2

制备纤维素纳米纤维的方法：1）用亚氯酸钠和冰醋酸去除木质素；2）氢氧化钠去除半纤维素；3）盐酸处理对纤维素进行解纤；4）研磨、超声、高压均质、离心等机械处理充分分散纤维。

实施例3

（1）瓦楞纸化学、研磨处理+石墨烯，弹性模量2924.89（MPa），拉伸强度105.07（MPa）

（2）瓦楞纸化学处理+研磨+超声+石墨烯，弹性模量5492.65（MPa），拉伸强度87.75（MPa）

（3）瓦楞纸化学处理+研磨+超声+离心+石墨烯，弹性模量6388.36（MPa），拉伸强度135.31（MPa）

上述说明，经过最后一步离心处理得到的微纳米生物质纤维素膜的拉伸强度最高，这说明离心可以得到形态更加均一，尺寸更加接近于纳米级的生物质纤维素，其制得的膜更加能体现出纳米纤维素的优良特性。石墨烯的加入虽然提高了薄膜的断裂伸长率，但复合膜的弹性模量不及纯的离心后的瓦楞纸微纳米生物质纤维素膜，虽然复合膜的拉伸强度比未经离心处理的纯生物质纤维素膜高，但不如经过离心处理的纯生物质纤维素膜，这表明石墨烯与纤维素的联结不够好，需要加入偶联剂来提高它们之间的联结。

实施例4

制备氧化石墨烯的方法: 取110 mL 浓硫酸加入洁净的烧杯中, 在磁力搅拌器上搅拌, 加入石墨5 g, 然后缓慢加入15 g 高锰酸钾, 约半小时加完；持续搅拌反应4 h, 溶液呈紫绿色，缓慢加入220 mL 去离子水, 保持温度100℃ 以下，逐滴加入过氧化氢(30%) 直到反应液变成金黄色，反应后的溶液反复抽滤洗涤, 直至滤液中检测无白色沉淀生成, 即无硫酸根离子存在, 样品在55 ℃ 左右温度下烘干, 待用。注意: 加入试剂(高锰酸钾、去离子水、双氧水) 时务必缓慢加入, 控制好反应液温度，将制得的样品称取一定量溶于去离子水中, 在超声波振荡器中超声2 h, 得到分散均匀、稳定的氧化石墨烯溶液。

实施例5

制备氧化石墨烯的方法：1）取5 g石墨粉加入到浓硫酸中，逐渐加入过硫酸钾、五氧化二磷，在80 ℃下连续搅拌5 h，加入去离子水稀释，然后洗涤成中性；2）将第一步中预氧化的石墨粉再次加入到浓硫酸中，并加入一定量的高锰酸钾，在35 ℃下处理4 h，对其进行进一步氧化；3）加入去离子水水稀释，逐滴滴入过氧化氢，溶液呈现金黄色；4）处理的溶液静置一夜，用盐酸和去离子水洗成中性，并进行高强度超声处理，得到氧化石墨烯水溶液。

实施例6

石墨烯/微纳米纤维素膜的制备：使用最大转数可达37000转/分钟的Blender高速搅拌机（型号Vita-mix Blender ABOSOLUTE3，USA）作为石墨烯/微纳米纤维素混合液的搅拌设备，取300 ml氧化石墨烯溶液和300 ml纤维素溶液混合，将高速搅拌机的转数调为25000转/分钟的条件下搅拌20 min，用真空抽滤机抽滤，制得石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

实施例7

石墨烯/微纳米纤维素膜的制备：使用最大转数可达37000转/分钟的Blender高速搅拌机（型号Vita-mix Blender ABOSOLUTE3，USA）作为石墨烯/微纳米纤维素混合液的搅拌设备，取300 ml氧化石墨烯溶液和300 ml纤维素溶液混合，将高速搅拌机的转数调为30000转/分钟的条件下搅拌10 min，用真空抽滤机抽滤，制得石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

实施例8

石墨烯/微纳米纤维素膜的制备：使用最大转数可达37000转/分钟的Blender高速搅拌机（型号Vita-mix Blender ABOSOLUTE3，USA）作为石墨烯/微纳米纤维素混合液的搅拌设备，取300 ml氧化石墨烯溶液和300 ml纤维素溶液混合，将高速搅拌机的转数调为15000转/分钟的条件下搅拌50 min，用真空抽滤机抽滤，制得石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明内容，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是根据本发明技术方案所作的改进，均落入本发明的保护范围。

Claims

1.利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维/石墨烯复合膜的制备方法，其特征是该方法包含如下步骤：

（1）利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维；

（2）制备氧化石墨烯；

（3）制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。

2.根据权利要求1所述的利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维的方法，其特征是所述的利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维：包括1）称取10g瓦楞纸，用蒸馏水浸泡1h后，用家用食品搅拌机碎成瓦楞纸浆并过滤，加入500ml的蒸馏水；2）将纸浆纤维装入250 ml烧杯中，倒入150 ml质量浓度为2％的氢氧化钠溶液10 g，用保鲜膜封住杯口后放入90 ℃恒温水浴锅中加热2 h，并在杯中放入磁石不断搅拌，2 h后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，以除去棕纤维素中的半纤维素，直到过滤液成中性；3）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75 ℃恒温水浴锅中加热1 h；杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分；1 h后向烧杯中继续加入4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，继续在75 ℃水浴锅中恒温加热1 h，如此重复3次，每次一小时，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗进行过滤，并用蒸馏水不断洗涤试样直到过滤液成中性，以去除瓦楞纸中残留的木质素，得到棕纤维素纤维，在温度为75 ℃的情况下烘干处理三次，每次一小时，用蒸馏水洗涤直至中性；4）称取质量浓度为3 ％的氢氧化钾约15 g，在温度为90 ℃的情况下，用保鲜膜封住杯口后放入90 ℃恒温水浴锅中加热2h，并在杯中放入磁石不断搅拌，2h后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，用蒸馏水洗涤直至中性；5）称取4.5 g的亚氯酸钠并量取4 ml的冰乙酸，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75 ℃恒温水浴锅中加热1 h；杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分，用蒸馏水洗涤直至中性；6）用量筒量取质量浓度为36％的盐酸10 ml，用保鲜膜封住杯口，放入80 ℃恒温水浴锅中加热2 h，并用磁石进行搅拌，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，直到过滤液成中性；7）将制得样品配置成质量浓度为1%的水悬浊液，然后进行研磨处理：磨盘之间间隙为0.01 mm，研磨次数为15~30次，研磨转速为1500 rpm，然后超声处理40 min，离心处理20 min。

3.根据权利要求1所述的利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维的方法，其特征是所述的制备氧化石墨烯：取110 mL 浓硫酸加入洁净的烧杯中, 在磁力搅拌器上搅拌, 加入石墨5 g, 然后缓慢加入15 g高锰酸钾, 半小时加完；持续搅拌反应4 h, 溶液呈紫绿色，缓慢加入220 mL 去离子水, 保持温度100℃ 以下，逐滴缓慢加入质量浓度为30%的过氧化氢直到反应液变成金黄色，反应后的溶液反复抽滤洗涤, 直至滤液中检测无白色沉淀生成, 即无硫酸根离子存在, 温度控制在55 ℃下烘干48~72h, 制得样品待用；将制得的样品溶于去离子水中, 在超声波振荡器中超声2 h, 得到分散均匀、稳定的氧化石墨烯溶液。

4.根据权利要求1所述的利用回收瓦楞纸制备微纳米纤维的方法，其特征是所述的制备石墨烯/微纳米生物质纤维素膜：取300ml的氧化石墨烯溶液和300ml纤维素溶液混合，采用最大转数达37000转/分钟的高速搅拌机在15000转/分钟~35000转/分钟的条件下搅拌10~60min，使纸纤维和石墨烯在超高速旋转条件所产生的剪切、冲击和振动的共同作用下，将纸浆纤维变为纳米纤维，与此同时使石墨烯产生乳化作用与纤维素纳米纤维充分混合和分散，然后用真空抽滤机抽滤，制得石墨烯/微纳米生物质纤维素膜。