CN107687108A - 一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法 - Google Patents

一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，属于衬底材料技术领域。本发明通过毛竹为原料，经细菌发酵后形成细菌纤维素和纳米纤维素复合体，再通过聚谷氨酸辐照制备凝胶体系，提高材料的成膜性能的同时，有效改善纳米纤维素成纸材料的力学性能，通过复合纤维素与凝胶复合，形成双交联网络复合水凝胶，凝胶结构更紧密，水凝胶的韧性和强度同时增大，提高材料的强度；且本发明通过细菌发酵处理，通过制备形成细菌纤维素，由于由β‑1,4‑糖苷键相连的二糖重复单位组成，呈现出三维的立体网状结构，有效改善结构稳定性能，同时，形成的多孔结构，使断面中的空隙得到了填充，有效减少光的散射，增加复合纤维相互作用，改善材料的透光度和光学性能。

Description

一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法
技术领域
本发明公开了一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，属于衬底材料技术领域。
背景技术
柔性有机透明衬底材料作为柔性透明导电薄膜的重要组成部分，因其成本低、不易碎、柔性可卷曲、便于运输且适合大规模制造等优点，已在柔性有机发光二极管、晶体管、太阳能电池等电子器件领域内获得成功应用。目前柔性有机透明衬底材料主要包括聚酰亚胺、聚丙烯酸薄膜、聚丙烯二酯、聚碳酸酯、聚对萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯等有机合成类高分子薄膜材料，但上述大部分材料在生产和使用过程中存在可加工温度偏低、热膨胀系数偏高及可印刷性差等不足，而这些不足阻碍了纳米级电子电路和元件的装配与加工。因此，开发一种能弥补上述缺陷的新型柔性透明衬底材料将具有重要的意义。天然木质纤维素作为一种呈多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子材料，具有绿色环保、成本低、原料来源广泛等诸多优点，木质纤维素具有多孔性结构特征，直接抄造制备的纸基材料，几乎不透明，即使是采用等同于木质纤维素折射率的物质填充纤维间孔隙也很难实现材料高透明化。为了解决这些难题，发现构成木质纤维素复合材料基本单元及其残余孔隙的尺寸与形态对材料的光透明性能具有决定性的影响。
透明纸由微米级或纳米级尺寸的纤维素所构成，具有透明性好、抗张强度高、表面粗糙度低和热稳定性好等优势，可替代玻璃或塑料等传统透明衬底材料应用于太阳能电池、晶体管、有机发光二极管、触摸屏等电子器件，在过去几年中，一直受到科研工作者的广泛关注。但目前透明纸的制备耗时长或污染环境，严重阻碍了透明纸的大规模应用，同时由于透明纸材料强度低，导致制备的透明纸材料力学性能较差，所以，对纳米纤维素透明纸进行改良是现有研究所针对的方向。
发明内容
本发明主要解决的技术问题：针对现有透明纸材料强度低，导致制备的透明纸材料力学性能较差的问题，提供了一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）取毛竹并干燥，气流粉碎过筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、1～2份冰醋酸、1～2份亚氯酸钠和6～8份过筛毛竹粉末，水浴加热，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；
（2）取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，离心分离，取上层清液得酒糟浸出液；
（3）按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，密封发酵，得发酵物，过滤并收集滤饼，洗涤、干燥，得纳米混合纤维素；
（4）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、3～5份γ-聚谷氨酸和6～8份纳米混合纤维素搅拌混合，超声分散，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，后收集分散凝胶液并用微孔滤膜抽滤，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
步骤（3）所述的洗涤为，0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗3～5次后，再用去离子水冲洗3～5次。
步骤（4）所述的Co60-γ射线辐照剂量为1.58kGy/h。
步骤（4）所述的微孔滤膜尺寸为50mm×0.45μm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过毛竹为原料，经细菌发酵后形成细菌纤维素和纳米纤维素复合体，再通过聚谷氨酸辐照制备凝胶体系，提高材料的成膜性能的同时，有效改善纳米纤维素成纸材料的力学性能，通过复合纤维素与凝胶复合，形成双交联网络复合水凝胶，凝胶结构更紧密，水凝胶的韧性和强度同时增大，故破坏应变和压缩强度增大，从而进一步提高材料的强度；
（2）本发明通过细菌发酵处理，通过制备形成细菌纤维素，由于由β-1,4-糖苷键相连的二糖重复单位组成，呈现出三维的立体网状结构，可有效改善复合纤维素材料的结构稳定性能，同时，复合纤维交联结构通过形成的多孔结构，使断面中的空隙得到了很大程度上的填充，从而有效减少光的散射并且增加复合纤维之间的相互作用，在提升材料力学性能的同时，改善材料的透光度和光学性能。
具体实施方式
取毛竹并置于85～90℃下干燥6～8h，气流粉碎并过200目筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、1～2份冰醋酸、1～2份亚氯酸钠和6～8份过筛毛竹粉末置于烧杯中，在70～75℃下水浴加热1～2h，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，在4500～5000r/min下离心分离6～8min，取上层清液得酒糟浸出液，按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，在30℃下密封发酵10～15天，得发酵物，过滤并收集滤饼，用0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗3～5次后，再用去离子水冲洗3～5次后，在75～85℃下干燥3～5h，得纳米混合纤维素；按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、3～5份γ-聚谷氨酸和6～8份纳米混合纤维素置于烧杯中，搅拌混合并置于200～300W下超声分散10～15min，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，控制辐照剂量为1.58kGy/h，待辐照完成后收集分散凝胶液并用50mm×0.45μm的微孔滤膜抽滤25～30min，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗3～5次，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
实例1
取毛竹并置于85℃下干燥6h，气流粉碎并过200目筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量45份去离子水、1份冰醋酸、1份亚氯酸钠和6份过筛毛竹粉末置于烧杯中，在70℃下水浴加热1h，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，在4500r/min下离心分离6min，取上层清液得酒糟浸出液，按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，在30℃下密封发酵10天，得发酵物，过滤并收集滤饼，用0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗3次后，再用去离子水冲洗3次后，在75℃下干燥3h，得纳米混合纤维素；按重量份数计，分别称量45份去离子水、3份γ-聚谷氨酸和6份纳米混合纤维素置于烧杯中，搅拌混合并置于200W下超声分散10min，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，控制辐照剂量为1.58kGy/h，待辐照完成后收集分散凝胶液并用50mm×0.45μm的微孔滤膜抽滤25min，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗3次，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
实例2
取毛竹并置于87℃下干燥7h，气流粉碎并过200目筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量47份去离子水、2份冰醋酸、2份亚氯酸钠和7份过筛毛竹粉末置于烧杯中，在72℃下水浴加热1h，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，在4750r/min下离心分离7min，取上层清液得酒糟浸出液，按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，在30℃下密封发酵12天，得发酵物，过滤并收集滤饼，用0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗4次后，再用去离子水冲洗4次后，在77℃下干燥4h，得纳米混合纤维素；按重量份数计，分别称量47份去离子水、4份γ-聚谷氨酸和7份纳米混合纤维素置于烧杯中，搅拌混合并置于250W下超声分散12min，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，控制辐照剂量为1.58kGy/h，待辐照完成后收集分散凝胶液并用50mm×0.45μm的微孔滤膜抽滤27min，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗4次，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
实例3
取毛竹并置于90℃下干燥8h，气流粉碎并过200目筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量50份去离子水、2份冰醋酸、2份亚氯酸钠和8份过筛毛竹粉末置于烧杯中，在75℃下水浴加热2h，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，在5000r/min下离心分离8min，取上层清液得酒糟浸出液，按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，在30℃下密封发酵15天，得发酵物，过滤并收集滤饼，用0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗5次后，再用去离子水冲洗5次后，在85℃下干燥5h，得纳米混合纤维素；按重量份数计，分别称量50份去离子水、5份γ-聚谷氨酸和8份纳米混合纤维素置于烧杯中，搅拌混合并置于300W下超声分散10min，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，控制辐照剂量为1.58kGy/h，待辐照完成后收集分散凝胶液并用50mm×0.45μm的微孔滤膜抽滤30min，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗5次，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
将本发明制备的实例1，2，3进行性能测试与表征，具体测试如下表表1所示：
表1 透明纳米纤维素纸性能表征表
由上表可知，本发明制的透明纸具有优异的力学性能和透光率，具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）取毛竹并干燥，气流粉碎过筛，收集过筛毛竹粉末，按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、1～2份冰醋酸、1～2份亚氯酸钠和6～8份过筛毛竹粉末，水浴加热，过滤得滤饼，真空干燥得改性纤维素；
（2）取酒糟，按质量比1:10，将酒糟与去离子水混合并置于离心机中，离心分离，取上层清液得酒糟浸出液；
（3）按质量比1:10，将过筛毛竹粉末与酒糟浸出液混合，密封发酵，得发酵物，过滤并收集滤饼，洗涤、干燥，得纳米混合纤维素；
（4）按重量份数计，分别称量45～50份去离子水、3～5份γ-聚谷氨酸和6～8份纳米混合纤维素搅拌混合，超声分散，收集分散液并置于密闭模具中，在氮气气氛下，经Co60-γ射线辐照，后收集分散凝胶液并用微孔滤膜抽滤，收集抽滤薄膜并用丙酮冲洗，自然晾干即制备得一种高强透明纳米纤维素纸。
2.根据权利要求1所述的一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的洗涤为，0.1mol/L氢氧化钠溶液冲洗3～5次后，再用去离子水冲洗3～5次。
3.根据权利要求1所述的一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的Co60-γ射线辐照剂量为1.58kGy/h。
4.根据权利要求1所述的一种高强透明纳米纤维素纸的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的微孔滤膜尺寸为50mm×0.45μm。
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