CN106750549A - 一种高取向纤维素薄膜的制备方法 - Google Patents

一种高取向纤维素薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高取向纤维素薄膜的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明的制备方法是首先制备纤维素薄膜，然后用离子液体增塑所制薄膜，再将其定向拉伸后进行固定、并在拉伸状态下除掉增塑剂，制得高取向纤维素薄膜。本发明的优点是：充分利用丰富的自然资源，成本低廉；操作简单，不添加任何有害物质，所用塑化剂离子液体对水和空气稳定，有利于环境保护；提高纤维素膜的取向程度及强度，扩展纤维素薄膜的应用领域。

Description

一种高取向纤维素薄膜的制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种高取向纤维素薄膜的制备方法，属于材料制备技术领域。
【背景技术】
可降解材料的应用是解决环境污染问题重要而有效的方法。纤维素兼具生物相容性、生物可降解、热稳定及化学稳定等诸多优点，可作为一种理想的环保材料应用在食品、包装等多个领域。但是现有技术制备的纤维素薄膜易脆裂，力学强度较低，仅为30～70MPa。
申请号为201110347908.6的中国发明专利公开了一种再生纤维素膜的制备方法，该方法得到的再生纤维素薄膜柔软度好、抗张强度高。但是制备过程相对繁琐，且需要添加多种助剂。申请号为200810037339.3的中国发明专利公开了一种纤维素的增塑方法，用离子液体作为增塑剂提高纤维素膜的柔韧性和稳定性，但纤维素膜的力学强度损失较大。
申请号为201510255365.3的中国发明专利公开了一种高取向多糖纤维膜的制备方法，在多糖溶液的冻结过程中利用定向温度场冻结技术控制冰晶生长方向，冻结后多糖溶液在真空低温环境中形成高取向叠页结构的多糖纤维膜材料。该方法成功制备高取向的纤维膜，但制备过程相对复杂、耗能巨大，而且取向程度无法准确控制。
尽管已有相关技术通过使纤维素薄膜取向以提高其性能，但由于纤维素薄膜韧性差、断裂伸长率低，尚未有技术可实现纤维素薄膜的高取向，并实现对其取向程度的有效控制。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高取向纤维素薄膜。
本发明的另一目的还在于提供一种高取向纤维素薄膜的制备方法。
本发明的另一目的还在于提供通过控制塑化纤维素薄膜拉伸比调控纤维素薄膜取向程度的方法。
本发明的另一目的还在于提供通过控制纤维素薄膜的取向程度从而获得高强度、高模量纤维素膜的方法。
本发明的另一目的还在于提供纤维素膜在增塑状态下拉伸、固定形变，并在拉伸状态下除掉增塑剂从而保持纤维素不同层次结构取向状态，得到不同取向程度纤维素薄膜的方法。
[技术方案]
本发明的技术方案提供了一种制备高取向纤维素薄膜的方法，该方法采用离子液体增塑纤维素薄膜，从而提高纤维素分子链的运动能力，增加纤维素膜的韧性。将塑化的纤维素薄膜拉伸至不同拉伸比后，保持其形变，然后将样条放在去离子水中浸泡，除掉增塑剂，从而防止其发生松弛，固定其微结构的取向，实现高取向纤维素薄膜的制备。与现有制备高取向薄膜的技术相比，该方法操作简单，成本低廉，绿色环保，耗能少。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种高取向纤维素薄膜，其特征在于，根据红外谱图数据计算，所制备的高取向纤维素薄膜的取向度范围为1.06～1.79，并且薄膜沿拉伸方向强度范围为100～160MPa，模量范围为6.5～10GPa。
所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，首先制备纤维素薄膜，然后用离子液体增塑所制薄膜，再将其定向拉伸后进行固定、并在拉伸状态下除掉增塑剂，制得高取向纤维素薄膜。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)纤维素水凝胶膜的制备：制备纤维素溶液，将溶液涂覆于基板，20～50℃保持0.5-10h，然后将其浸入凝固浴中再生，再用去离子水洗涤，得到纤维素水凝胶膜；
(2)纤维素水凝胶膜的塑化：将纤维素水凝胶膜浸入包含离子液体的塑化浴中进行塑化，然后将其置于基板上固定干燥，得到塑化的纤维素薄膜；
(3)高取向纤维素薄膜的制备：将塑化的纤维素薄膜以200～2000微米每分钟的速率拉伸，使纤维素薄膜发生取向，然后在拉伸状态下除去离子液体，干燥得到高取向的纤维素薄膜。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于，所述凝固浴为水、乙醇、1％-10％的醋酸水溶液、1％-10％的硫酸水溶液、3％-10％的硫酸铵水溶液、3％-8％硫酸/3％-8％硫酸钠水溶液的一种。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于所述塑化浴由离子液体和去离子水组成，其质量比为0.5:99.5～50:50，塑化温度为20～60℃，塑化时间为2～48h。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于，所述纤维素来源于棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣或纸张。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于，所述纤维素溶解所用溶剂为离子液体、氢氧化钠/尿素、LiCl/DMAc体系的一种。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于，所述离子液体由阴离子和阳离子组成，其中阳离子为烷基咪唑离子、烷基吡啶离子、烷基吡唑离子或烷基吡咯离子的一种，阴离子为Cl-或者Br-的一种。
根据本申请的另一优选实施方案，其特征在于，该方法通过控制塑化聚合物薄膜拉伸比调控其取向程度。
所述的高取向纤维素薄膜的制备方法在薄膜制备中的应用。
如前所述的高取向纤维素薄膜的制备方法进一步描述如下：
(1)采用离子液体、氢氧化钠/尿素、LiCl/DMAc等常用溶剂体系中的一种溶解纤维素，得到透明的纤维素溶液，随后将产物通过离心机离心分离，除去不溶物和气泡；将纤维素溶液涂覆在玻璃板上，20～50℃保持1-5h，优选1.5-4h，然后将其浸入凝固浴中再生，再用去离子水洗涤3-4次，得到纤维素水凝胶膜；
(2)将纤维素水凝胶膜浸入离子液体与去离子水质量比为5:95～20:80的塑化浴中进行塑化，塑化时间为8～36h，优选10-30h，更优选15-25h，温度为20～60℃，然后将其置于有机玻璃板上固定干燥，得到塑化纤维素薄膜；
(3)将塑化的纤维素薄膜裁成矩形样条，用拉力机以500～1500微米每分钟的速率拉伸到不同形变量，使纤维素薄膜发生一定程度的取向，然后将样条取下并固定其形变，使其处于拉伸状态，最后将样条浸泡在去离子水中2-10h，除去离子液体，室温干燥得到高取向的纤维素薄膜。
其中步骤(1)中纤维素的浓度优选为3％～10％。
步骤(2)中纤维素水凝胶膜在塑化浴的浸泡时间优选为8-24h，
上述方案中所述的纤维素可以是纸浆纤维素或者棉浆纤维素，结晶度为70～85％，聚合度为700，分子量为110000左右。本发明所采用的纤维素可通过商购得到，如湖北化纤集团有限公司，山东高密银鹰化纤有限公司。
[有益效果]
本发明由于采取上述技术方案，其具有以下优点：
1.绿色环保。本发明制备纤维素薄膜所用的原料源于大自然中丰富的环境友好型材料，廉价易得，不添加任何有毒物质，无毒无污染。
2.操作简便。流延法制备的纤维素薄膜，经塑化之后，用拉力机进行简单拉伸实现高取向。工艺简单，操作方便且条件温和。
3.取向度可控。通过控制塑化纤维素薄膜的拉伸形变就能实现纤维素薄膜不同的取向程度。
4.由离子液体塑化的纤维素膜具有较好的柔顺性，可弯折成任意形状；定向拉伸后得到的高取向纤维素薄膜具有较高的强度和模量。
【附图说明】
图1是本发明实施例1、3、4、5所制不同取向程度的纤维素薄膜的偏振红外谱图。利用偏振红外谱图可计算所制纤维素薄膜的取向度R＝I90°/I0°(R为取向度，I90°和I0°分别为样品在967cm-1处的特征峰垂直取向方向和沿取向方向的吸收强度)。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1.
a.纤维素水凝胶膜的制备：按照质量比为6.5:11.5:82配制100g氢氧化钠/尿素/水溶液，将其放置在-15℃环境中预冷3h，再将3g纤维素投入到配置好的溶液中，高速搅拌5min，得到透明的纤维素溶液，随后将产物通过离心机离心分离，除去不溶物和气泡，得到质量分数为3％的纤维素溶液；将纤维素溶液涂覆在玻璃板上，20℃下保持3h，然后将其浸入凝固浴中再生，再用去离子水洗涤3-4次，得到纤维素水凝胶膜；
b.纤维素水凝胶膜的塑化：将纤维素水凝胶膜浸入塑化浴中进行塑化，所述塑化浴由离子液体和去离子水组成，质量比为3:97，在60℃条件下浸泡16h，然后将其置于有机玻璃板上固定干燥，得到塑化纤维素薄膜；
c.高取向纤维素薄膜的制备：将塑化的纤维素薄膜裁成矩形样条，用拉力机以500微米每分钟的速率拉伸样条，使其形变达到20％，取下样条并将其固定，保持拉伸状态在去离子水中浸泡4-5h，室温干燥8-12h，得到拉伸比为1.2的纤维素膜。所得取向的纤维素薄膜取向度为1.09，拉伸强度为102MPa，模量为7.2GPa。
实施例2.
所用材料种类及工艺流程同实施例1，不同的是采用离子液体作为溶剂，将5g纤维素加入到离子液体(阳离子为烷基咪唑离子，阴离子为氯离子)中90℃搅拌溶解得到质量分数为5％的纤维素溶液，在玻璃板上涂覆成膜，随后制得拉伸比为1.2的纤维素薄膜。所得取向膜取向度为1.11，拉伸强度为111MPa，模量为7.5GPa。
实施例3.
所用材料种类及工艺流程同实施例1，不同的是所述的塑化浴中离子液体和去离子水的质量比为7:93，将薄膜在室温下浸泡18h后取出，然后将其置于有机玻璃板上固定干燥，得到塑化的纤维素膜。随后采用同样的方法制备拉伸比为1.4的纤维素薄膜，其取向度为1.32，拉伸强度为127MPa，模量为8.7GPa。
实施例4.
所用材料种类与工艺流程同实施例3，不同的是所述的塑化浴中离子液体和去离子水的质量比为10:90。随后采用同样的方法制备拉伸比为1.6的纤维素薄膜，其取向度为1.37，拉伸强度为142MPa，模量为9.24GPa。
实施例5.
所用材料种类与工艺流程同实施例1，不同的是3％的纤维素溶液成膜后，将得到的纤维素水凝胶膜浸入到塑化浴中，所述的塑化浴中离子液体和去离子水的质量比为10:90，在40℃下浸泡18h后取出，然后将其置于有机玻璃板上固定干燥，得到塑化的纤维素膜。随后采用同样的方法制备拉伸比为1.8的纤维素薄膜，其取向度为1.51，拉伸强度为160MPa，模量为9.38GPa。
对比例1.
所用材料种类及工艺流程同实施例1，不同的是将得到的纤维素水凝胶膜直接置于有机玻璃板上固定干燥，得到没有增塑的纤维素薄膜。其拉伸强度为62MPa，模量为4.7GPa。
对比例2.
所用材料种类及工艺流程同实施例1，不同的是将得到的纤维素水凝胶膜浸入到塑化浴中，所述的塑化浴中离子液体和去离子水的质量比为7:93，得到塑化的纤维素膜不进行任何拉伸和洗涤，直接将其置于有机玻璃板上固定干燥。其拉伸强度为19MPa，模量为0.58GPa。
对比例3.
所用材料种类及工艺流程同实施例1，不同的是塑化纤维素膜经拉伸使其形变达到20％，取下样条并固定至其形变不发生变化，得到拉伸比为20％的纤维素薄膜。测量其拉伸强度为21MPa，模量为0.56GPa。但需要注意的是，若不固定拉伸的塑化纤维素膜，一段时间后，取向的纤维素薄膜形变会发生部分或全部回复。
图1分别是拉伸比为1.2、1.4、1.6、1.8的纤维素薄膜的偏振红外光谱图，可以看出，同一个样品在967cm-1处的特征峰沿取向方向和垂直于取向方向红外吸收强度发生变化，主要表现为该峰垂直于取向方向的红外吸收强度I90°比沿取向方向的红外吸收强度I0°大，且随着拉伸比的增大，强度比值越来越大。这说明样品经拉伸之后发生了分子水平的取向，且拉伸比越大，分子取向程度越大。

Claims (10)

1.一种高取向纤维素薄膜，其特征在于所制备的高取向纤维素薄膜的取向度范围为1.06～1.79，并且薄膜沿拉伸方向强度范围为100～160MPa，模量范围为6.5～10GPa。
2.权利要求1所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，首先制备纤维素薄膜，然后用离子液体增塑所制薄膜，再将其定向拉伸后进行固定、并在拉伸状态下除掉增塑剂，制得高取向纤维素薄膜。
3.权利要求2所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)纤维素水凝胶膜的制备：制备纤维素溶液，将溶液涂覆于基板，20～50℃保持0.5-10h，然后将其浸入凝固浴中，再用去离子水洗涤，得到纤维素水凝胶膜；
(2)纤维素水凝胶膜的塑化：将纤维素水凝胶膜浸入包含离子液体的塑化浴中进行塑化，然后将其置于基板上固定干燥，得到塑化的纤维素薄膜；
(3)高取向纤维素薄膜的制备：将塑化的纤维素薄膜以200～2000微米每分钟的速率拉伸，使纤维素薄膜发生取向，然后在拉伸状态下除去离子液体，干燥得到高取向的纤维素薄膜。
4.权利要求3所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于所述凝固浴为水、乙醇、1％-10％的醋酸水溶液、1％-10％的硫酸水溶液、3％-10％的硫酸铵水溶液或3％-8％硫酸/3％-8％硫酸钠水溶液的一种。
5.权利要求3所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于所述塑化浴由离子液体和去离子水组成，其质量比为0.5:99.5～50:50，塑化温度为20～60℃，塑化时间为2～48h。
6.根据权利要求2或3中任意一项权利要求所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，所述纤维素来源于棉花、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣或纸张。
7.根据权利要求2或3中任意一项权利要求所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，所述纤维素溶解所用溶剂为离子液体、氢氧化钠/尿素、LiCl/DMAc体系的一种。
8.根据权利要求2或3中任意一项权利要求所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，所述离子液体由阴离子和阳离子组成，其中阳离子为烷基咪唑离子、烷基吡啶离子、烷基吡唑离子或烷基吡咯离子的一种，阴离子为Cl-或者Br-的一种。
9.根据权利要求2或3中任意一项权利要求所述的高取向纤维素薄膜的制备方法，其特征在于，该方法通过控制塑化聚合物薄膜拉伸比调控其取向程度。
10.权利要求2或3中任意一项权利要求所述的高取向纤维素薄膜的制备方法在薄膜制备中的应用。
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