CN108517050A - 一种高强度纤维素导电膜的制备方法 - Google Patents

一种高强度纤维素导电膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度纤维素导电膜的制备方法，属于导电材料制备技术领域。本发明以纤维素为原料，经硫酸初步酸化处理后抽滤形成纤维素膜坯，接着将纤维素膜坯热压形成纤维素膜粗品，再利用柠檬酸溶液浸渍纤维素膜粗品，浸渍后放入高压反应釜中，反应得到纤维素基底膜，最后在基底膜上负载聚苯胺，制得高强度纤维素导电膜，本发明制得的纤维素导电膜具有极佳的力学强度以及导电性能，应用前景广阔。

Description

一种高强度纤维素导电膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度纤维素导电膜的制备方法，属于导电材料制备技术领域。
背景技术
金属氧化物为主体的导电膜仍然占有主要地位，但它们存在着两个不足，即柔性应用和成本控制急需解决。碳系材料具有廉价，高导电性的优势，另外，还弥补了ITO为主导的金属氧化物导电膜不适用与柔性材料上的不足。但它们最大的缺点就是制备的透明导电薄膜具有相对较低的透光率，这个问题将是将来碳系导电材料需要解决的首要问题。金属纳米材料，可以制备出相对透明且导电性能优良的柔性薄膜。
此外，导电膜所采用的基底材料，目前多是以难降解的高分子聚合物为主，并且为了保证基底的高表面活性和热稳定性，往往采用高聚合度的材料，以及表面活性处理，这不仅加大了成本，同时还降低了导电基底的透光率。所以，具有高表面活性的纤维素膜作为廉价的透明导电基底，拥有着远大的前景。但是纤维素导电膜的力学强度较低，在后期的使用过程中容易破损，会影响其使用寿命，因此，发明一种高强度的纤维素导电膜对导电材料制备技术领域具有积极的意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前常见的高分子聚合物基底导电膜难以生物降解，且成本高，而纤维素导电膜的力学强度较低，在后期的使用过程中容易破损，会影响其使用寿命的缺陷，提供了一种高强度纤维素导电膜的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液混合后放入60～70℃的水浴锅中加热1～2h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析60～70h，得到透析后的纤维素润胀液；
（2）将上述纤维素润胀液放入超声发生器中，超声处理，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；
（3）将纤维素膜坯用热压机热压处理，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应4～6h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，继续反应10～12h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；
（4）按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍20～30min后，再向烧杯中滴加质量分数为10%的过硫酸铵溶液；
（5）待上述滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至70～80℃，水浴加热反应1～2h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗3～5次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
步骤（1）中所述的纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液的质量比为1：5。
步骤（2）中所述的超声处理的功率为1200～1300W，超声处理的时间为30～40min。
步骤（3）中所述的热压处理的压力为1～2MPa，热压处理的时间为5～10min，高压反应釜的压力为1.5～1.7MPa，温度为120～130℃。
步骤（4）中所述的过硫酸铵溶液的滴加速率为1～2mL/min，过硫酸铵溶液的滴加量为预制液质量的30%。
本发明的有益效果是：
本发明以纤维素为原料，经硫酸初步酸化处理后抽滤形成纤维素膜坯，接着将纤维素膜坯热压形成纤维素膜粗品，再利用柠檬酸溶液浸渍纤维素膜粗品，浸渍后放入高压反应釜中，反应得到纤维素基底膜，最后在基底膜上负载聚苯胺，制得高强度纤维素导电膜，本发明制得纤维素导电膜首先利用硫酸对纤维素进行微水解，产生少量糠醛单体，经抽滤热压成膜粗品，再用有机羧酸浸渍纤维素膜粗品，浸渍后放入高压反应釜中反应，在高压高温条件下使粗品膜中的纤维素吸收热能，其分子链发生较强的活动，在一个较窄的温度范围内，分子间的联接破裂，分子间相互位移加剧，聚合物特性有所变化，无定型纤维素从玻璃态转变为塑化态，之后在水热作用以及有机羧酸的作用下进一步水解，水解作用可促使平行的、后继的，甚至交叉的化学作用的发生，并可促使更多糠醛产生，而产生的糠醛会在后续作用下发生缩合或缩聚（树脂化），最终得到树脂化的纤维膜，树脂化的过程中，纤维之间的糠醛发生缩合缩聚，从而将相邻纤维锚固结合，形成牢固的交联网状结构，使得纤维素膜层的内聚力得到提高，力学强度也得到极大提高，同时由于纤维素膜具有微孔结构，使纤维素膜两侧苯胺单体通过扩散进入纤维素膜的微孔，在孔道中相遇并聚合，使聚苯胺分子链沿微孔不断生长，形成连续稳定的导电层，而网络状聚苯胺导电层的形成也增加了导电膜的力学强度，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液按质量比为1：5混合后放入60～70℃的水浴锅中加热1～2h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析60～70h，得到透析后的纤维素润胀液；将纤维素润胀液放入超声发生器中，以1200～1300W的功率超声处理30～40min，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；将纤维素膜坯用热压机以1～2MPa的压力热压处理5～10min，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应4～6h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，在压力为1.5～1.7MPa，温度为120～130℃的条件下继续反应10～12h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍20～30min后，再以1～2mL/min的滴加速率向烧杯中滴加预制液质量30%的质量分数为10%的过硫酸铵溶液；待滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至70～80℃，水浴加热反应1～2h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗3～5次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液按质量比为1：5混合后放入60℃的水浴锅中加热1h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析60h，得到透析后的纤维素润胀液；将纤维素润胀液放入超声发生器中，以1200W的功率超声处理30min，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；将纤维素膜坯用热压机以1MPa的压力热压处理5min，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应4h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，在压力为1.5MPa，温度为120℃的条件下继续反应10h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍20min后，再以1mL/min的滴加速率向烧杯中滴加预制液质量30%的质量分数为10%的过硫酸铵溶液；待滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至70℃，水浴加热反应1h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗3次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液按质量比为1：5混合后放入65℃的水浴锅中加热1h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析65h，得到透析后的纤维素润胀液；将纤维素润胀液放入超声发生器中，以1250W的功率超声处理35min，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；将纤维素膜坯用热压机以1MPa的压力热压处理8min，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应5h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，在压力为1.6MPa，温度为125℃的条件下继续反应11h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍25min后，再以1mL/min的滴加速率向烧杯中滴加预制液质量30%的质量分数为10%的过硫酸铵溶液；待滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至75℃，水浴加热反应1h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗4次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液按质量比为1：5混合后放入70℃的水浴锅中加热2h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析70h，得到透析后的纤维素润胀液；将纤维素润胀液放入超声发生器中，以1300W的功率超声处理40min，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；将纤维素膜坯用热压机以2MPa的压力热压处理10min，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应6h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，在压力为1.7MPa，温度为130℃的条件下继续反应12h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍30min后，再以2mL/min的滴加速率向烧杯中滴加预制液质量30%的质量分数为10%的过硫酸铵溶液；待滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至80℃，水浴加热反应2h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗5次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
对照例以黑龙江省某公司生产的纤维素导电膜作为对照例
对本发明制得的纤维素导电膜和对照例中的纤维素导电膜进行性能检测，检测结果如表1所示：
表1
检测项目 实例1 实例2 实例3 对照例
导电性能（S/cm） 3.0 3.0 3.1 2.8
透光性能（%） 86 86 87 53
杨氏模量（GPa） 12.5 12.6 12.8 10.2
断裂功（KJ/m） 490.2 490.5 491.0 472.2
抗张强度（MPa） 45.2 45.5 46.0 38.1
由上表中检测数据可以看出，本发明制得的纤维素导电膜具有极佳的力学强度以及导电性能，应用前景广阔。

Claims (5)

1.一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）称取纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液混合后放入60～70℃的水浴锅中加热1～2h，自然冷却至室温后装入透析袋中，用清水透析60～70h，得到透析后的纤维素润胀液；
（2）将上述纤维素润胀液放入超声发生器中，超声处理，得到纤维素悬浊液，再将纤维素悬浊液用索式抽提器抽滤，得到直径为30mm的纤维素膜坯；
（3）将纤维素膜坯用热压机热压处理，得到纤维素膜粗品，将纤维素膜粗品放入质量分数为10%的柠檬酸溶液中浸渍反应4～6h，再将浸渍反应后的纤维素膜粗品转入高压反应釜中，继续反应10～12h，反应结束后出料，得到纤维素基底膜；
（4）按等体积比将苯胺与质量分数为15%的盐酸混合得到预制液并装入烧杯中，将上述得到的纤维素基底膜置于预制液中，静置浸渍20～30min后，再向烧杯中滴加质量分数为10%的过硫酸铵溶液；
（5）待上述滴加完毕后，将烧杯移入水浴锅中，加热升温至70～80℃，水浴加热反应1～2h，反应结束后得到反应膜层，用去离子水反复漂洗3～5次后自然晾干，即得高强度纤维素导电膜。
2.根据权利要求1所述的一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的纤维素和质量分数为30%的硫酸溶液的质量比为1：5。
3.根据权利要求1所述的一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的超声处理的功率为1200～1300W，超声处理的时间为30～40min。
4.根据权利要求1所述的一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述的热压处理的压力为1～2MPa，热压处理的时间为5～10min，高压反应釜的压力为1.5～1.7MPa，温度为120～130℃。
5.根据权利要求1所述的一种高强度纤维素导电膜的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的过硫酸铵溶液的滴加速率为1～2mL/min，过硫酸铵溶液的滴加量为预制液质量的30%。
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